DE102014221390A1 - Process for the production of fiber composite components - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Faserverbundbauteilen mit den Schritten: Bereitstellen einer harzimprägnierten ebenen Faserverbundmatte, Zerteilen der Faserverbundmatte zur Erzeugung zumindest eines ebenen Faserverbundkonturstücks, Verformung des ebenen Faserverbundkonturstücks in ein dreidimensionales Preformteil in einem Formwerkzeug, wobei das Formwerkzeug eine Temperatur von unter 0° Celsius aufweist, Abkühlen des verformten dreidimensionalen Preformteils unter den Erstarrungspunkt des Harzes in dem Formwerkzeug, Zuführen des unter den Erstarrungspunkt des Harzes abgekühlten dreidimensionalen Preformteils in ein beheiztes Formwerkzeug (6) und zum Aushärten des dreidimensionalen Preformteils.The invention relates to a method for producing fiber composite components, comprising the steps of providing a resin-impregnated flat fiber composite mat, dividing the fiber composite mat to produce at least one flat fiber composite contour piece, deformation of the flat fiber composite contour piece into a three-dimensional preform part in a mold, wherein the mold has a temperature of less than 0 ° Celsius, cooling the deformed three-dimensional Preformteils below the solidification point of the resin in the mold, supplying the cooled under the solidification point of the resin three-dimensional Preformteils in a heated mold (6) and for curing the three-dimensional Preformteils.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Faserverbundbauteilen, bei dem ebene, aus einer harzimprägnierten Faserverbundmatte gewonnene Faserverbundkonturstücke in ein dreidimensionales Preformteil umgeformt und anschließend gepresst werden.The invention relates to a method for producing fiber composite components, wherein the flat, obtained from a resin-impregnated fiber composite mat fiber composite contour pieces are formed into a three-dimensional Preformteil and then pressed.
Derartige Verfahren sind beispielsweise unter Nutzung des RTM-Verfahrens (RTM = Resin Transfer Moulding) bekannt. Dabei wird eine vorgeformte Faserverbundmatte in eine zweischalige Werkzeugform (Kavität) eingelegt und nach der Evakuierung mit einer Harz-Härter-Mischung durchflutet und ausgehärtet.Such methods are known, for example, using the RTM method (RTM = Resin Transfer Molding). Here, a preformed fiber composite mat is placed in a two-shell mold (cavity) and flooded after evacuation with a resin-hardener mixture and cured.
Alternativ bietet sich das Nasspressverfahren an. Beim Nasspressen wird eine trockene Faserverbundmatte mit einem flüssigem Harz-Härter-Gemisch unmittelbar vor der Presse beaufschlagt und dann in einem beheizten zweiteiligen Formwerkzeug in einem Arbeitsschritt geformt, imprägniert und ausgehärtet.Alternatively, the wet pressing process is suitable. When wet pressing a dry fiber composite mat is applied with a liquid resin-hardener mixture immediately before the press and then molded in a heated two-part mold in one step, impregnated and cured.
Beide Verfahren unterliegen einigen Nachteilen. Beim RTM-Verfahren sind hohe Investitionen für die RTM-Presse, insbesondere aufgrund einer aufwändigen Gleichlaufregelung nötig. Die Pressendrücke (bis 3500 t) sind sehr hoch und die Press-Zyklus-Zeiten von 8–12 Minuten sind vergleichsweise lang. Der Prozess ist bei der Imprägnierung empfindlich und durch die Sekundär-Prozessflächen zum Preformen materialintensiv. Ferner ist bei komplexen Bauteilen ein Zwischenschritt „Konfektionieren” erforderlich.Both methods are subject to some disadvantages. In the RTM process, high investments are required for the RTM press, in particular due to complex synchronization control. The press pressures (up to 3500 t) are very high and the press cycle times of 8-12 minutes are comparatively long. The process is sensitive during impregnation and material-intensive due to the secondary process surfaces for preforms. Furthermore, an intermediate step "assembly" is required for complex components.
Das Nasspressen ist zwar wesentlich günstiger als das RTM-Verfahren, hat aber die Nachteile, dass die Harz-Härter-Chemie im Presswerk aufwändig in der Handhabung ist, dass die Qualifizierung der Mitarbeiter bezüglich Harz-Härter-Chemie hoch sein muss, dass das Verfahren anfällig für Schwankungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit ist. Ferner ist das Nasspressen bisher nur für flache Teile geeignet, die in einem zweiteiligen Werkzeug hergestellt werden können.The wet pressing is indeed much cheaper than the RTM process, but has the disadvantages that the resin-hardener chemistry in the press shop is consuming to handle, that the qualification of employees regarding resin-hardener chemistry must be high, that the process prone to fluctuations in temperature and humidity. Furthermore, wet pressing has hitherto only been suitable for flat parts which can be produced in a two-part tool.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereit zu stellen, mit dem die Handhabung der harzgetränkten Faserrohlinge vereinfacht wird und, das schneller durchführbar ist.The invention is therefore based on the object to provide an improved method for producing a fiber composite component, with which the handling of the resin-impregnated fiber blanks is simplified and which is faster to carry out.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1.This object is achieved by the feature combination according to claim 1.
Erfindungsgemäß wird dabei vorgesehen, dass eine harzimprägnierte ebene Faserverbundmatte bereit gestellt und zerteilt wird, um mindestens ein ebenes Faserverbundkonturstück zu erhalten. Dieses wird in einem unter den Gefrierpunkt gekühlten Formwerkzeug in ein dreidimensionales Preformteil verformt, abgekühlt und anschließend im erstarrten Zustand einem beheizten Formwerkzeug zum Formen in die dreidimensionale Endform und Aushärten des Harz-Härter-Gemisches zugeführt. Anschließend kann das Bauteil entnommen werden.According to the invention it is provided that a resin-impregnated flat fiber composite mat is provided and cut to obtain at least one flat fiber composite contour piece. This is deformed in a cooled under the freezing point mold in a three-dimensional preform, cooled and then fed in the solidified state a heated mold for molding in the three-dimensional final shape and curing of the resin-hardener mixture. Then the component can be removed.
Die erfindungsgemäße Merkmalskombination umfasst dabei die Verfahrensschritte
- a. Bereitstellen einer harzimprägnierten ebenen Faserverbundmatte,
- b. Zerteilen der Faserverbundmatte zur Erzeugung zumindest eines ebenen Faserverbundkonturstücks,
- c. Verformung des ebenen Faserverbundkonturstücks in ein dreidimensionales Preformteil in einem Formwerkzeug, wobei das Formwerkzeug eine Temperatur von unter 0° Celsius, vorzugsweise mindestens unter 15° Celsius, aufweist und vorzugsweise aus Aluminium gebildet ist,
- d. Abkühlen des verformten dreidimensionalen Preformteils unter den Erstarrungspunkt des Harzes in dem Formwerkzeug,
- e. Zuführen des unter den Erstarrungspunkt des Harzes abgekühlten dreidimensionalen Preformteils in ein beheiztes Formwerkzeug und zum Aushärten des dreidimensionalen Preformteils.
- a. Providing a resin-impregnated flat fiber composite mat,
- b. Cutting the fiber composite mat to produce at least one flat fiber composite contour piece,
- c. Deformation of the flat fiber composite contour piece into a three-dimensional preform part in a molding tool, wherein the molding tool has a temperature of below 0 ° Celsius, preferably at least below 15 ° Celsius, and is preferably formed from aluminum,
- d. Cooling the deformed three-dimensional preform under the solidification point of the resin in the mold,
- e. Feeding the cooled under the solidification point of the resin three-dimensional Preformteils in a heated mold and for curing the three-dimensional Preformteils.
Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die dreidimensionale Formgebung nicht in einem beheizten Formwerkzeug, sondern während die Faserverbundmatte noch weich und gut umformbar ist in einem tiefgekühlten Formwerkzeug. Dieses Formwerkzeug übernimmt sowohl die Funktion der Formgebung als auch die Funktion des anschließenden Abkühlens/Frostens.In contrast to the prior art, the three-dimensional shaping is not carried out in a heated mold, but while the fiber composite mat is still soft and easy to shape in a deep-frozen mold. This mold takes on both the function of shaping and the function of the subsequent cooling / freezing.
Ferner ist vorteilhaft, dass beim Zerteilen der Faserverbundmatte zur Erzeugung zumindest eines ebenen Faserverbundkonturstücks Verstärkungsteile aus Teilen der Faserverbundmatte geschnitten und zur Verstärkung als zusätzliche Lage auf dem ebenen Faserverbundkonturstück verwendet werden. Dieses als „Nesting” bezeichnetes soweit als möglich vollständiges Nutzen der Faserverbundmatte führt zu minimalem Verschnitt des teuren Ausgangsmaterials und kombiniert die Nutzung von großflächigen Abschnitten für die Faserverbundkonturstücke sowie vergleichsweise kleinflächigen Verstärkungselementen.Furthermore, it is advantageous that when dividing the fiber composite mat to produce at least one flat fiber composite contour piece reinforcing parts cut from parts of the fiber composite mat and used for reinforcement as an additional layer on the flat fiber composite contour piece. This so-called "nesting" as far as possible complete benefits of fiber composite mat leads to minimal waste of expensive starting material and combines the use of large sections for the composite fiber contour pieces and relatively small-area reinforcing elements.
Günstig ist ferner eine Ausführung des Verfahrens, bei dem die Verformung des ebenen Faserverbundkonturstücks in ein dreidimensionales Preformteil in einem gekühlten Formwerkzeug und optional in einer Kältekammer bei unter 0° Celsius, insbesondere bei mindestens unter –15° Celsius, erfolgt. Grundsätzlich wird das Preformteil unter den Erstarrungspunkt des Harzes schockgefrostet. Dies erfolgt in jedem Fall durch das Formwerkzeug, jedoch optional zusätzlich durch die Nutzung einer Kältekammer.Also favorable is an embodiment of the method in which the deformation of the flat fiber composite contour piece takes place in a three-dimensional preform part in a cooled mold and optionally in a cold chamber at below 0 ° Celsius, in particular at least below -15 ° Celsius. Basically, the Preformteil under the Freezing point of the resin shock-frozen. This is done in each case by the mold, but optionally additionally by the use of a cold chamber.
Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Verfahren ferner dadurch gekennzeichnet, dass das verformte und unter den Erstarrungspunkt des Harzes abgekühlte dreidimensionale Preformteil zwischenlagerbar und zu dem beheizten Formwerkzeug transportierbar ist. Die Handhabung und Logistik bei der Verarbeitung und Fertigstellung der Bauteile ist somit sehr variabel.Advantageously, the inventive method is further characterized in that the deformed and cooled below the solidification point of the resin three-dimensional Preformteil interposable and can be transported to the heated mold. The handling and logistics during the processing and completion of the components is thus very variable.
Auch ist eine Ausführung des Verfahrens vorteilhaft, bei der die harzimprägnierte ebene Faserverbundmatte beidseitig mit Schutzfolien versehen wird. Diese werden vor dem Zuführen des unter den Erstarrungspunkt des Harzes abgekühlten dreidimensionalen Preformteils zur Presse entfernt. Somit können die harzgetränkten Fasern bis dahin nicht während des Handlings verkleben.Also, an embodiment of the method is advantageous in which the resin-impregnated flat fiber composite mat is provided on both sides with protective films. These are removed before feeding the cooled under the solidification point of the resin three-dimensional preform part to the press. Thus, the resin impregnated fibers can not stick until then during handling.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft, dass nicht nur einzelne Preformteile erzeugbar, sondern ganze Baugruppen wie beispielsweise ein Seitenrahmen eines KFZ erzeugbar sind. Hierzu werden mehrere unter den Erstarrungspunkt des Harzes abgekühlte verformte dreidimensionale Preformteile auf einem Konfektionierträger zu einem Gesamtarrangement angeordnet, bevor der Konfektionierträger mit dem Gesamtarrangement dem beheizten Formwerkzeug zugeführt wird. Die einzelnen gefrorenen Preformteile weisen im Wesentlichen bereits ihre Endform auf, jedoch erfolgt in dem beheizten Formwerkzeug die Aushärtung und finale Festleung der Endform. Als Konfektionierträger kann ein Netz dienen, das im Bauteil mit verpresst wird.In one embodiment of the method according to the invention is particularly advantageous that not only individual Preformteile can be generated, but entire assemblies such as a side frame of a motor vehicle can be generated. For this purpose, several deformed under the solidification point of the resin deformed three-dimensional Preformteile be arranged on a confectioning carrier to a Gesamtarrangement before the confectioning carrier is supplied with the Gesamtarrangement the heated mold. The individual frozen preform parts essentially already have their final shape, but the curing and final setting of the final shape take place in the heated mold. A prefabricated carrier can be a net that is pressed into the component.
Günstig ist ferner ein Verfahrensschritt, bei dem die auf dem Konfektionierträger zu einem Gesamtarrangement angeordneten Preformteile an ihren Schnittstellen lokal durch externe Heizmittel angewärmt werden bis das Harz antaut und klebrig wird, so dass die Preformteile an den Schnittstellen eine Vorab-Verbindung eingehen und anschließend auf dem Konfektionierträger als verbundenes Gesamtbauteil dem beheizten Formwerkzeug zugeführt werden.Also favorable is a method step, in which the preform parts arranged on the prefabricated carrier to form an overall arrangement are locally warmed at their interfaces by external heating means until the resin becomes antautious and sticky, so that the preform parts enter into a preliminary connection at the interfaces and then onto the preform Prefabricated carrier be supplied as a connected overall component of the heated mold.
Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend vorteilhaft, dass die aus Teilen der Faserverbundmatte gewonnenen Verstärkungsteile als mindestens eine zusätzliche Lage auf das unter den Erstarrungspunkt des Harzes abgekühlte dreidimensionale Preformteil aufgebracht werden, so dass die „Reste” der Faserverbundmatte unmittelbar als Verstärkungselemente auf das Preformteil auflegbar und in dem beheizten Formwerkzeug zu dem Endbauteil formbar sind. Gleiches ist natürlich für das Verfahren anwendbar, bei dem Verstärkungsteile aus Teilen der Faserverbundmatte als zusätzliche Lage(n) auf das Gesamtarrangement aufgebracht werden.The method according to the invention is also advantageous in that the reinforcing parts obtained from parts of the fiber composite mat are applied as at least one additional layer to the three-dimensional preform part cooled below the solidification point of the resin, so that the "remnants" of the fiber composite mat can be placed directly on the preform part as reinforcing elements and in the heated mold are malleable to the final component. The same is of course applicable to the process in which reinforcing parts are applied from parts of the fiber composite mat as an additional layer (s) on the Gesamtarrangement.
Die tiefgekühlten Faserverbund-Preformstücke haben bereits annähernd die Bauteil-Endgeometrie, so dass sie im gefrorenen Zustand nicht mehr umgeformt werden müssen. Sie werden nahezu formschlüssig auf das beheizte Formwerkzeug aufgelegt und anschließend zu einem Fertigbauteil verpresst und ausgehärtet. Mit dieser Technik ist es möglich, auch große und komplexe Faserverbundbauteile herzustellen bis hin zu ganzen Fahrzeug-Modulen bei Anwendung der Verfahrensschritte bezüglich des oben beschriebenen Gesamtarrangements (z. B. Seitenrahmen, Dach, Front, Heck, Tür, Klappe etc.). Es ist kein Textilprozess notwendig wie dies beim RTM oder Nasspressen der Fall ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mithin kostengünstiger. Es werden zudem keine Fremdmaterialien (Glasfäden oder Polyamid-Nähfäden) in der Faserverbundmatte benötigt. Dies bietet im Crashfall den Vorteil, dass es im Bauteillaminat keine Fehlstellen durch Fremdmaterialen gibt.The frozen fiber composite preforms already have almost the component final geometry, so that they no longer have to be formed in the frozen state. They are placed almost positively on the heated mold and then pressed into a prefabricated component and cured. With this technology, it is possible to produce even large and complex fiber composite components up to entire vehicle modules using the method steps with respect to the overall arrangement described above (eg side frame, roof, front, rear, door, flap, etc.). No textile process is necessary as is the case with RTM or wet pressing. The inventive method is therefore more cost effective. In addition, no foreign materials (glass threads or polyamide sewing threads) are needed in the fiber composite mat. This offers the advantage in the event of a crash that there are no defects due to foreign materials in the component laminate.
Ferner ist an dem Verfahren vorteilhaft, dass die Nutzung konventioneller „Blech-Pressen” möglich ist, da keine Gleichlaufregelung und spezielle Schließprofile für eine Imprägnierung erforderlich sind. Zudem ist kein Vakuum beim Pressprozess notwendig.Furthermore, it is advantageous to the method that the use of conventional "sheet metal presses" is possible because no synchronization control and special closing profiles for impregnation are required. In addition, no vacuum is necessary during the pressing process.
Zur Herstellung der Faserverbundmatte erfolgt eine Imprägnierung von Faserbündeln (Roving) im Durchlauf durch ein Bad oder eine Düse mit Harz-Härter-Gemisch. Anschließend wird der vollständig imprägnierte Roving auf einer sich drehenden Walze (Wickeldorn) in unterschiedlichen Richtungen aufgewickelt.To produce the fiber composite mat, an impregnation of fiber bundles (roving) takes place in the passage through a bath or a nozzle with resin-hardener mixture. Subsequently, the fully impregnated roving is wound on a rotating roll (winding mandrel) in different directions.
Am Ende des Verfahrens wird das ausgehärtete Faserverbundbauteil aus dem beheizten Formwerkzeug entnommen. Es folgt das Abkühlen bei gleichzeitigem Kalibrieren des Faserverbundbauteils in einer Abkühlvorrichtung unter der Glas-Übergangstemperatur und schließlich der Beschnitt des Faserverbundbauteils auf die gewünschte Endkontur.At the end of the process, the cured fiber composite component is removed from the heated mold. This is followed by cooling with simultaneous calibration of the fiber composite component in a cooling device below the glass transition temperature and finally the trimming of the fiber composite component to the desired final contour.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to FIGS.
Die
Die Faserverbundkonturstücke
Anschließend wird das dreidimensionale Preformteil
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.
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