DE102015005504A1 - Process for producing a fiber-reinforced plastic component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (1) in einem RTM-Prozess, bei dem in einem Bereitstellungsschritt zumindest ein Faserhalbzeug (9) aus trockenem, noch nicht matrixdurchtränktem Fasermaterial bereitgestellt wird, in einem Preformschritt das Faserhalbzeug (9) unter Bildung eines Vorformlings (39) dreidimensional bauteilendkonturnah umgeformt wird, und in einem Injektionsschritt der Vorformling (39) in eine Werkzeugkavität (13) eines Injektionswerkzeugs (15) eingelegt ist sowie unter Druck und Wärme eine flüssige Matrix-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität (13) injiziert und darin ausgehärtet wird. Erfindungsgemäß ist zur Bildung des Vorformlings (39) der Preformschritt aufgeteilt in einen ersten Teilschritt, in dem das noch unverformte Faserhalbzeug (9) in der Werkzeugkavität (13) vorpositioniert wird, und in einem zweiten Teilschritt, in dem eine Ausgangskomponente eines Schaummaterials in der Werkzeugkavität (13) aufgeschäumt wird und das aufschäumende Schaummaterial das Faserhalbzeug (9) unter Bildung des dreidimensional umgeformten Vorformlings (39) gegen eine die Werkzeugkavität (13) begrenzende Kavitäts-Formfläche (17, 19) drückt.The invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic component (1) in an RTM process, in which at least one semifinished fiber product (9) of dry, not yet matrix-impregnated fiber material is provided in a provision step, in a preforming step, forming the semifinished fiber product (9) a preform (39) is reshaped in a three-dimensionally component-forming manner, and in an injection step the preform (39) is inserted into a tool cavity (13) of an injection tool (15) and under pressure and heat a liquid matrix starting component is injected into the tool cavity (13) and is cured in it. According to the preforming step (39), the preforming step is subdivided into a first sub-step, in which the still undeformed semifinished fiber product (9) is prepositioned in the tool cavity (13), and in a second sub-step, in which an initial component of a foam material in the tool cavity (13) is foamed and the foaming foam material, the semi-finished fiber product (9) to form the three-dimensionally transformed preform (39) presses against the cavity (13) limiting cavity mold surface (17, 19).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils in einem RTM-Prozess nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic component in an RTM process according to the preamble of
Im Fahrzeugbau kann für die Serienfertigung von Hochleistungsbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Molding) eingesetzt werden. Mit Hilfe des RTM-Verfahrens können Bauteile in großer Stückzahl sowie hohen Faser-Volumengehalten reproduzierbar in kurzen Zykluszeiten hergestellt werden.In vehicle construction, the RTM process (resin transfer molding) can be used for mass production of high-performance components made of fiber-reinforced plastics. With the help of the RTM process, components in large quantities and high fiber volume contents can be produced reproducibly in short cycle times.
Aus der
In gängiger Praxis erfolgt der Preformschritt in einer dem Injektionswerkzeug prozesstechnisch vorgelagerten Preformanlage, die beispielhaft eine Presse mit Preformwerkzeugen ist, in der das noch trockene Faserhalbzeug dreidimensional umgeformt wird. Für eine solche dreidimensionale Umformung des Faserhalbzeuges ist eine Bebinderung erforderlich, bei der auf das noch nicht matrixdurchtränkte Faserhalbzeug ein Binder appliziert wird. Der Preformschritt ist somit prozesstechnisch sowie anlagentechnisch aufwendig durchführbar.In common practice, the preforming step takes place in a preforming process upstream of the injection mold, which is a press with preform tools by way of example, in which the still dry semifinished fiber product is reshaped in three dimensions. For such a three-dimensional deformation of the semifinished fiber product, a binding is required, in which a binder is applied to the not yet matrix-impregnated semi-finished fiber product. The preforming step is thus technically complex and technically feasible.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bereitzustellen, das mit im Vergleich zum Stand der Technik reduziertem prozesstechnischen Aufwand durchführbar ist.The object of the invention is to provide a method for producing a fiber-reinforced plastic component, which can be carried out with reduced compared to the prior art process engineering effort.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of
Die Erfindung beruht allgemein auf dem Grundgedanken, den Preformschritt und den nachfolgenden Injektionsschritt gemeinsam im Injektionswerkzeug durchzuführen, wodurch auf eine prozesstechnisch dem Injektionswerkzeug vorgelagerte Preformanlage verzichtet werden kann. Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 der Preformschritt zur Bildung des Vorformlings aufgeteilt in einen ersten Preform-Teilschritt, in dem das noch unverformte Faserhalbzeug in der Werkzeugkavität des Injektionswerkzeuges vorpositioniert wird. Anschließend erfolgt ein zweiter Preform-Teilschritt, in dem eine Ausgangskomponente eines Schaummaterials in der Werkzeugkavität aufgeschäumt wird. Das aufschäumende Schaummaterial drückt dabei – unter Bildung eines dreidimensional umgeformten Vorformlings – das Faserhalbzeug gegen die, die Werkzeugkavität begrenzende Formfläche. Die Formfläche der Werkzeugkavität definiert eine Negativform der Bauteilkontur, wodurch das Faserhalbzeug prozesstechnisch einfach beim Aufschäumvorgang bis in die Bauteilendkontur umformbar ist. Der so gebildete Vorformling verbleibt anschließend im Injektionswerkzeug, um den Injektionsschritt durchzuführen.The invention is based generally on the basic idea of carrying out the preforming step and the subsequent injection step together in the injection tool, which makes it possible to dispense with a preforming device upstream of the injection tool from a process engineering point of view. Against this background, according to the characterizing part of
In einer technischen Umsetzung des Preformschrittes wird das noch unverformte Faserhalbzeug drapierfähig, das heißt biegeschlaff sowie im Wesentlichen ohne Eigensteifigkeit in die Werkzeugkavität eingelegt und darin vorpositioniert. Das Faserhalbzeug kann bevorzugt ein drapierfähiges Textil, zum Beispiel ein Gewebe, Gestricke, Gelege oder dergleichen sein. Das in der Werkzeugkavität vorpositionierte Faserhalbzeug wird anschließend im zweiten Preform-Teilschritt unter Bildung des Vorformlings aufgeschäumt, bei dem der Vorformling gebildet wird.In a technical implementation of the preforming step, the still undeformed semifinished fiber product is drapable, that is to say limp and substantially without inherent rigidity, inserted into the tool cavity and pre-positioned therein. The semi-finished fiber product may preferably be a drapable textile, for example a woven fabric, knitted fabric, scrim or the like. The semi-finished fiber prefabricated in the tool cavity is then foamed in the second preform sub-step to form the preform in which the preform is formed.
Bevorzugt kann das Schaummaterial des Vorformlings nach dessen erfolgter Aushärtung einen formstabilen Schaumkern bilden, der im Vorformling einstückig integriert ist. Der Schaumkern kann bevorzugt mit einer ausreichend großen Druckstabilität ausgelegt sein. Dadurch ist ein Kollabieren des Vorformlings aufgrund hoher Kavitäts-Innendrücke im nachfolgenden Injektionsschritt vermieden und dauerhaft eine ausreichende Schaumkern-Formstabilität gewährleistet.Preferably, the foam material of the preform can form a dimensionally stable foam core after its curing, which is integrally integrated in the preform. The foam core may preferably be designed with a sufficiently high pressure stability. As a result, a collapse of the preform is avoided due to high internal cavity pressures in the subsequent injection step and permanently ensures sufficient foam core dimensional stability.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Schaumkern ein Strukturschaum, insbesondere ein Kunststoff-Strukturschaum sein, dessen flüssige Ausgangskomponente unter Druck und Wärme im zweiten Preform-Teilschritt aufgeschäumt wird. Beispielhaft kann der Kunststoff-Strukturschaums aus PU, PP oder PA hergestellt sein oder ein 2K-Strukturschaum ein. Auf diese Weise ergibt sich ein Leichtbau-Vorformling, der ein im Vergleich zu einem herkömmlichen faserverstärkten Kunststoffbauteil ein wesentlich reduziertes Bauteilgewicht aufweist. Im Hinblick auf eine weitere Gewichtsreduzierung kann in dem Strukturschaum ein Leichtfüllstoff-Granulat integriert sein, zum Acrylglaskugeln, Leichtbaugranulat aus geschäumten Glas oder Ton, Mineralschaumgranulat, Metallschaumgranulat oder dergleichen.In a further embodiment variant, the foam core may be a structural foam, in particular a plastic structural foam, whose liquid starting component is foamed under pressure and heat in the second preform sub-step. By way of example, the plastic structural foam can be made of PU, PP or PA or a 2K structural foam. In this way, a lightweight preform results, which has a significantly reduced component weight compared to a conventional fiber-reinforced plastic component. With regard to a further reduction in weight may be integrated in the structural foam lightweight filler granules, the acrylic glass spheres, lightweight granules foamed glass or clay, mineral foam granules, metal foam granules or the like.
Während des im zweiten Preform-Teilschrittes erfolgenden Schäumungsvorganges sind die, die Werkzeugkavität begrenzenden Injektionswerkzeugteile mit einer vorgegebenen Presskraft gegeneinander gedrückt. Seitlich außerhalb der Werkzeugkavität ist zwischen den beiden Injektionswerkzeugteilen eine umlaufende Dichtung positioniert, die die Werkzeugkavität nach außen abdichtet, und zwar zwischen einander gegenüberliegenden Werkzeugflächen der beiden Injektionswerkzeugteile.During the foaming process taking place in the second preform sub-step, the injection tool parts bounding the tool cavity are pressed against one another with a predetermined pressing force. Laterally outside the tool cavity a circumferential seal is positioned between the two injection tool parts, which seals the tool cavity outwards, between opposing tool surfaces of the two injection tool parts.
Nach erfolgter Aushärtung des in der Werkzeugkavität gebildeten Vorformlings wird der Injektionsschritt durchgeführt. Um das Fließverhalten der in die Werkzeugkavität injizierten Matrix-Ausgangskomponente zu verbessern, ist es prozesstechnisch von Vorteil, wenn – im Vergleich zum zweiten Preform-Teilschritt – die Werkzeugkavitätshöhe im nachfolgenden Injektionsschritt vergrößert wird, und zwar durch ein geringfügiges Anheben eines der beiden Injektionswerkzeugteile um einen vorgegebenen Höhenversatz. Der Höhenversatz ist derart bemessen, dass einerseits die Dichtfunktion der umlaufenden Kavitäts-Dichtung gewährleistet bleibt und andererseits ein ausreichend freier Spaltabstand in der Werkzeugkavität gebildet ist, durch den die flüssige Matrix-Ausgangskomponente mit reduziertem Fließwiderstand strömen kann. Nach der Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem Injektionswerkzeug entnommen werden.After curing of the preform formed in the mold cavity, the injection step is carried out. In order to improve the flow behavior of the matrix starting component injected into the mold cavity, it is advantageous in terms of process technology if the tool cavity height is increased in the subsequent injection step compared to the second preform partial step, by a slight lifting of one of the two injection tool parts by one predetermined height offset. The height offset is dimensioned such that, on the one hand, the sealing function of the circumferential cavity seal is ensured and, on the other hand, a sufficiently free gap spacing is formed in the tool cavity through which the liquid matrix starting component can flow with reduced flow resistance. After curing of the matrix material, the finished plastic component can be removed from the injection tool.
Dem Injektionswerkzeug ist eine Injektionseinheit zugeordnet, über die die flüssige Matrix-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität einspeisbar ist. Hierzu mündet eine im Injektionswerkzeug integrierte Injektionsleitung an einer Angussstelle in die Werkzeugkavität. Zudem ist dem Injektionswerkzeug eine Schäumungsanlage zugeordnet, die über einen Schusskanal strömungstechnisch mit der Werkzeugkavität verbunden ist. Über den Einschusskanal kann im zweiten Preform-Teilschritt die flüssige Schaummaterial-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität eingespeist werden. Der Einschusskanal der Schäumungsanlage sowie die Injektionsleitung der Injektionseinheit sind funktionell voneinander getrennt.The injection tool is assigned an injection unit, via which the liquid matrix output component can be fed into the mold cavity. For this purpose, an injection line integrated in the injection tool opens into the tool cavity at a gate mark. In addition, the injection tool is associated with a foaming system which is fluidly connected via a firing channel with the Werkzeugkavität. In the second preform sub-step, the liquid foam material starting component can be fed into the mold cavity via the injection channel. The injection channel of the foaming system and the injection line of the injection unit are functionally separated from each other.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bevorzugt ein Leichtbau-Bauteil mit einer Sandwichstruktur bzw. einem Mehrlagenaufbau hergestellt werden. Hierzu können im ersten Preform-Teilschritt an einander zugewandten, gegenüberliegenden Formflächen jeweils ein Faserhalbzeug vorpositioniert (drapiert) werden. Dies erfolgt unter Bildung eines Freiraumes zwischen den beiden Faserhalbzeugen. Im zweiten Prozessschritt wird der Schäumungsvorgang durchgeführt, bei dem die Schaummaterial-Ausgangskomponente in den Freiraum eingeschossen wird. Auf diese Weise ergibt sich ein Dreilagenaufbau mit einem mittleren Schaumkern sowie gegenüberliegenden Decklagen aus jeweils einem faserverstärken Kunststoffmaterial.With the method according to the invention, a lightweight component with a sandwich structure or a multilayer structure can preferably be produced. For this purpose, in each case a semi-finished fiber product can be prepositioned (draped) in the first preform sub-step on opposite, opposing mold surfaces. This takes place with the formation of a free space between the two semi-finished fiber products. In the second process step, the foaming process is carried out, in which the foam material starting component is injected into the free space. In this way, results in a three-layer structure with a middle foam core and opposite cover layers of each one fiber-reinforced plastic material.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example in the case of clear dependencies or incompatible alternatives.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention and its advantageous embodiments and further developments and advantages thereof are explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen:Show it:
Die Figuren sind im Hinblick auf ein einfaches Verständnis der Erfindung angefertigt. Von daher sind die Figuren lediglich grob vereinfachte Darstellungen, die keinen realitätsgetreuen Aufbau des Kunststoffbauteils
In der
Nachfolgend ist anhand der
Wie aus den
In dem unteren Werkzeugteil
Nach der in der
Im Anschluß an die Vorpositionierung wird ein zweiter Preform-Teilschnitt durchgeführt, bei dem gemäß der
In der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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