DE102015007284B4 - Process for the production of fiber composite components - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, umfassend ein Zuführen von Matrixmaterial (60) in eine Kavität (101, 111, 121) eines formgebenden Werkzeugs (100, 110, 120) mit einem darin befindlichen Faservorformling (20, 21, 22); gekennzeichnet durch
ein Einbringen und/oder Vorsehen mindestens eines die Viskosität des Matrixmaterials steigernden Stoffes (30, 31) in mindestens einen Teilbereich der Kavität,
wobei der Teilbereich einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling in der Kavität und mindestens einer Oberfläche des formgebenden Werkzeugs umfasst.
A method of making a fiber composite component comprising feeding matrix material (60) into a cavity (101, 111, 121) of a forming tool (100, 110, 120) having a fiber preform (20, 21, 22) therein; marked by
introducing and / or providing at least one substance (30, 31) which increases the viscosity of the matrix material into at least one partial area of the cavity,
wherein the portion comprises a gap between the fiber preform in the cavity and at least one surface of the forming tool.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a method for the production of fiber composite components according to the preamble of patent claim 1.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen wird gemeinhin ein Faservorformling, also ein Halbzeug aus Fasermaterial (das beispielsweise Kohlenstofffasern umfasst), in einer Kavität eines ein- oder zweiseitigen formbildenden Werkzeugs unter Erzeugung eines Vakuums mit Matrixmaterial (auch als „Harz“ bezeichnet) infiltriert, das alsdann (ggf. unter Wärmezufuhr z. B. in einem Ofen oder Autoklaven) zum Aushärten gebracht wird.In the manufacture of fiber composite components, a fiber preform, that is, a semifinished fiber material (comprising, for example, carbon fibers), is infiltrated in a cavity of a one- or two-sided mold-forming tool to create a vacuum with matrix material (also referred to as a "resin") which then (If necessary, with heat, for example, in an oven or autoclave) is brought to cure.
Beim Infiltrieren stellt es eine Schwierigkeit dar, dafür zu sorgen, dass die Fließfront des Matrixmaterials sich zuverlässig kontrollierbar fortbewegt. Beispielsweise kann ein lokales Vorauseilen der Fließfront (ein sogenanntes „Race-Tracking“) z. B. in Randbereichen des Faservorformlings und/oder in Bereichen außerhalb des Faservorformlings bewirken, dass das Fasermaterial nicht mehr ausreichend mit Matrixmaterial getränkt wird; dies kann zu einer schlechten Qualität des hergestellten Bauteils führen.In infiltration, it is a difficulty to ensure that the flow front of the matrix material moves reliably controllable. For example, a local advance of the flow front (a so-called "race tracking") z. B. cause in peripheral areas of the fiber preform and / or in areas outside the fiber preform that the fiber material is no longer sufficiently saturated with matrix material; This can lead to a poor quality of the manufactured component.
Insbesondere kann eine unzureichend kontrollierte Fortbewegung des Matrixmaterials außerhalb des Faservorformlings zu einem Verschluss einer Absaugung der Kavität führen, so dass zum einen die Absaugung beeinträchtigt werden kann, zum anderen Matrixmaterial in einen Absaugungskanal der Kavität gelangen kann, aus dem es nach seinem Aushärten im Allgemeinen nur mit erheblichem Aufwand wieder entfernt werden kann. Zudem kann Matrixmaterial in den Bereich einer Abdichtung der Kavität nach außen gelangen, von wo es nach der Aushärtephase ebenfalls meist schwer beseitigt werden kann.In particular, insufficiently controlled movement of the matrix material outside the fiber preform can lead to closure of a suction of the cavity, so that on the one hand the suction can be impaired, on the other hand matrix material can pass into a suction channel of the cavity, from which it generally only hardens after it has hardened can be removed again with considerable effort. In addition, matrix material can reach the area in the region of a seal of the cavity, from where it can also be removed after the curing phase also usually difficult.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, um die Fortbewegung des Matrixmaterials in der Kavität zu beeinflussen und so die genannten nachteiligen Effekte zu verhindern. Insbesondere sind einige Lösungsvorschläge zur Vermeidung des genannten „Race-Trackings“ gegeben.In the prior art, various approaches are known to influence the movement of the matrix material in the cavity and so to prevent the aforementioned adverse effects. In particular, some solutions are proposed to avoid the mentioned "race tracking".
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Auch gibt es verschiedene Ansätze, die Fließfront des Matrixmaterials innerhalb des Faservorformlings zu beeinflussen. So können bspw. lokal Fließhilfen vorgesehen werden, oder es können ein Zulauf für Matrixmaterial geeignet positioniert und ein Injektionsdruck passend gewählt werden.Also, there are several approaches to affect the flow front of the matrix material within the fiber preform. Thus, for example, local flow aids can be provided, or an inlet for matrix material can be suitably positioned and an injection pressure suitably selected.
Aus der Druckschrift
Die Druckschriften
Die
Die
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Technik zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, mit der ein Matrixmaterialfluss in einem Randbereich der Kavität eines formgebenden Werkzeugs kontrolliert werden kann.The present invention has the object to provide an improved technique for producing a fiber composite component, with which a matrix material flow in an edge region of the cavity a shaping tool can be controlled.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is achieved by a method according to claim 1. Preferred embodiments are disclosed in the subclaims.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient einer Herstellung eines Faserverbundbauteils und umfasst ein Zuführen von Matrixmaterial in eine Kavität eines formgebenden Werkzeugs mit einem darin befindlichen Faservorformling sowie ein Einbringen mindestens eines die Viskosität des Matrixmaterials steigernden Stoffes in mindestens einen Teilbereich der Kavität, wobei der Teilbereich einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling und mindestens einer Oberfläche des formgebenden Werkzeugs umfasst.A method according to the invention is used to produce a fiber composite component and comprises feeding matrix material into a cavity of a forming tool with a fiber preform located therein and introducing at least one substance increasing the viscosity of the matrix material into at least one partial area of the cavity, the partial area forming a gap between the cavity Fiber preform and at least one surface of the forming tool comprises.
Eine nicht erfindungsgemäße Vorrichtung dient einer Herstellung eines Faserverbundbauteils und umfasst ein formbildendes Werkzeug mit einer Kavität zur Aufnahme eines Faservorformlings sowie von Matrixmaterial. In mindestens einem Teilbereich der Kavität ist mindestens ein die Viskosität des Matrixmaterials steigernder Stoff angeordnet.A device not according to the invention is used to produce a fiber composite component and comprises a mold-forming tool having a cavity for receiving a fiber preform and matrix material. In at least one subregion of the cavity, at least one substance which increases the viscosity of the matrix material is arranged.
Erfindungsgemäß kann ein einzelner die Viskosität des Matrixmaterials steigernder Stoff (hierin auch verkürzt als „viskositätssteigernder Stoff“ bezeichnet) oder können mehrere derartige Stoffe verwendet werden; zur sprachlichen Vereinfachung wird in dieser Schrift der Zusatz „mindestens ein(e)“ nicht immer mitgeführt, ohne dass dies als Einschränkung auf den Fall eines einzigen derartigen Stoffes zu verstehen sein soll. Entsprechendes gilt für den mindestens einen Teilbereich der Kavität.According to the invention, a single substance that increases the viscosity of the matrix material (also referred to here for short as "viscosity-increasing substance") or several such substances can be used; For the purpose of linguistic simplification, the addition "at least one" is not always included in this document, without it being intended to be limiting to the case of a single such substance. The same applies to the at least one subregion of the cavity.
Der (mindestens eine) die Viskosität des Matrixmaterials steigernde Stoff verringert bei Kontakt mit dem Matrixmaterial dessen Fließfähigkeit und/oder Fließgeschwindigkeit. Dies kann z. B. ein physisches Binden des Matrixmaterials beispielsweise mittels eines oder mehrerer faseriger, watteartiger oder flockiger Fremdkörper und/oder ein reaktives Verdicken des Matrixmaterials umfassen.The (at least one) increasing the viscosity of the matrix material reduces its fluidity and / or flow rate on contact with the matrix material. This can be z. B. include a physical binding of the matrix material, for example by means of one or more fibrous, cottony or fluffy foreign body and / or a reactive thickening of the matrix material.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bietet insbesondere den Vorteil, dass mit Hilfe des viskositätssteigernden Stoffes bestimmte Bereiche des Infusionsaufbaus frei von Matrixmaterial gehalten werden können. Ein zeitintensives und aufwendiges Entfernen von ausgehärtetem Matrixmaterial in den entsprechenden Bereichen des formgebenden Werkzeugs kann daher entfallen.A method according to the invention offers the particular advantage that certain areas of the infusion structure can be kept free of matrix material with the aid of the viscosity-increasing substance. A time-consuming and expensive removal of cured matrix material in the corresponding areas of the forming tool can therefore be omitted.
Zudem kann bei geeigneter Auswahl des Teilbereichs ein Kontakt des Matrixmaterials mit einer oder mehreren Komponenten des Infusionsaufbaus (z. B. einer Dichtungsvorrichtung mit Dichtschnüren o. ä.) vermieden werden, indem ein zu einer derartigen Komponente führender Matrixfluss durch das Steigern der Viskosität des Matrixmaterials in dem Teilbereich verhindert wird. Damit erfährt eine solche Komponente eine geringere Beanspruchung und kann daher eine längere Einsatzdauer haben.In addition, with a suitable selection of the subregion, contact of the matrix material with one or more components of the infusion structure (eg a sealing device with sealing cords or the like) can be avoided by a matrix flow leading to such a component by increasing the viscosity of the matrix material is prevented in the sub-area. Thus, such a component undergoes a lower stress and can therefore have a longer service life.
Weiterhin kann ein lokales Vorauseilen der Fließfront des Matrixmaterials vermieden werden, ohne dass ein zusätzliches, den Matrixfluss umlenkendes Dichtelement in die Kavität eingebracht werden muss: Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das infolge des Durchleitens durch den viskositätssteigernden Stoff lokal hochviskose Matrixmaterial selbst zu einem Dichtmittel.Furthermore, a local advance of the flow front of the matrix material can be avoided without an additional, the matrix flow deflecting sealing element has to be introduced into the cavity: According to the present invention, the locally highly viscous due to the passage through the viscosity-increasing substance matrix material itself becomes a sealant.
Das formbildende Werkzeug kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ein einseitiges oder ein zweiseitiges Werkzeug sein. Die Kavität kann durch eine Vertiefung in einem (z. B. ersten) Teil des Werkzeugs gebildet sein; eine derartige Vertiefung kann bei Anwendung des Verfahrens durch eine Vakuumfolie und/oder durch einen zweiten Werkzeugteil abgedeckt sein. Insbesondere kann die Kavität mindestens abschnittsweise durch mindestens eine Oberfläche des formbildenden Werkzeugs begrenzt sein, die die Kavität somit ausbildet.The forming tool may be a one-sided or a two-sided tool in a method according to the invention. The cavity may be formed by a recess in a (eg, first) part of the tool; Such a recess may be covered by a vacuum film and / or by a second tool part when using the method. In particular, the cavity can be delimited at least in sections by at least one surface of the mold-forming tool, which thus forms the cavity.
Die Kavität kann auf einen oder mehrere formbildenden Hohlraum bzw. formbildende Hohlräume oder formbildende Vertiefung(en) im Werkzeug beschränkt sein, der bzw. die dazu eingerichtet ist/sind, einen Faservorformling aufzunehmen. Alternativ kann die Kavität neben einem derartigen formbildenden Hohlraum bzw. einer formbildenden Vertiefung zusätzlich einen von einem Absaugungskanal begrenzten Raum, insbesondere mindestens einen Absaugungskanal oder zumindest einen Eingangsbereich eines Absaugungskanals umfassen, der dazu eingerichtet ist, an eine Vakuumeinheit angeschlossen zu werden und Luft oder sonstiges Gas aus der Kavität zu leiten. In diesem Sinne kann der „Teilbereich der Kavität“ ein Bereich innerhalb des formbildenden Hohlraums bzw. der Vertiefung sein oder ein Bereich einer erweiterten Kavität, die neben dem formbildenden Hohlraum bzw. der formbildenden Vertiefung auch mindestens einen Teil eines von diesem ausgehenden Absaugungskanals umfassen kann.The cavity may be confined to one or more mold cavity or mold cavity (s) in the tool adapted to receive a fiber preform. Alternatively, in addition to such a mold-forming cavity, the cavity may additionally comprise a space bounded by a suction duct, in particular at least one suction duct or at least one inlet region of a suction duct adapted to be connected to a vacuum unit and air or other gas out of the cavity. In this sense, the "partial region of the cavity" may be an area within the mold-forming cavity or the depression or an area of an enlarged cavity which may also comprise at least a portion of an exhaust passage extending therefrom, in addition to the mold-forming cavity or cavity.
Der Faservorformling kann ein lediglich zugeschnittenes Fasermaterial umfassen oder ein zugeschnittenes und in eine Form gebrachtes (z. B. gepresstes) Fasermaterial.The fiber preform may comprise a merely cut fiber material or a cut and shaped (eg, pressed) fiber material.
Der Teilbereich der Kavität umfasst vorzugsweise einen Randbereich der Kavität, beispielsweise einen Randbereich einer Vertiefung oder Aushöhlung in dem formbildenden Werkzeug oder einer Komponente des formbildenden Werkzeugs. Der Teilbereich umfasst einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling in der Kavität und mindestens einer Oberfläche des formbildenden Werkzeugs, welche die Kavität ausbildet.The partial region of the cavity preferably comprises an edge region of the cavity, for example an edge region of a depression or cavity in the mold-forming tool or a component of the mold-forming tool. The subarea comprises a space between the fiber preform in the cavity and at least one surface of the forming tool which forms the cavity.
Der Teilbereich kann mehrere lokale, nicht zusammenhängende Stellen oder Abschnitte umfassen, die jeweils punktförmig, linienartig oder flächig ausgebildet sein können.The subarea may include a plurality of local, non-contiguous locations or sections, each of which may be punctiform, linear, or planar.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der Teilbereich (während einer Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens) mindestens teilweise seitlich neben dem Faservorformling liegt. Der Teilbereich kann in mindestens einem Abschnitt durch einen Spalt von dem Faservorformling getrennt sein oder mit stumpfem (bei Anwendung des Verfahrens seitlichem und/oder vertikalem) Kontakt zum Faservorformling angeordnet sein (also an den Faservorformling anstoßen).Particularly preferred is an embodiment in which the subregion (during an application of a method according to the invention) lies at least partially laterally next to the fiber preform. The subregion may be separated from the fiber preform in at least one section by a nip, or may be arranged with blunt (if the process is applied laterally and / or vertically) to the fiber preform (ie abut the fiber preform).
Zusätzlich kann der Teilbereich sich in den Faservorformling hinein erstrecken, der in diesem Fall den mindestens einen viskositätssteigernden Stoff mindestens teilweise aufgenommen haben kann, beispielsweise indem der viskositätssteigernde Stoff einen Teil des Faservorformlings durchtränkt hat oder anderweitig innerhalb des entsprechenden Bereichs im Faservorformling positioniert wurde.In addition, the portion may extend into the fiber preform, which in this case may have at least partially contained the at least one viscosity enhancing agent, for example, by having the viscosity enhancing agent soaked through a portion of the fiber preform or otherwise positioned within the corresponding region in the fiber preform.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst der Teilbereich einen Umgebungsbereich einer Abdichtung der Kavität; bei einem einteiligen Werkzeug kann eine derartige Abdichtung an einem Rand einer die Kavität ausbildenden Oberfläche des formbildenden Werkzeugs angeordnet sein, bei einem zwei- oder mehrteiligen Werkzeug kann eine solche Abdichtung an einem Rand zwischen den beiden bzw. mehreren Werkzeugteilen positioniert sein. Ein Umgebungsbereich einer derartigen Abdichtung kann insbesondere einen Bereich zwischen der Abdichtung und dem Faservorformling umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Teilbereich einen Eingang des Absaugungskanals von der Kavität her umfassen. Durch eine derartige Positionierung des mindestens einen viskositätssteigernden Stoffs kann verhindert werden, dass das Matrixmaterial an die entsprechenden Stellen vordringt.According to an advantageous embodiment, the subregion comprises an environmental region of a seal of the cavity; in the case of a one-piece tool, such a seal can be arranged on an edge of a cavity-forming surface of the mold-forming tool; in the case of a two- or multi-part mold, such a seal can be positioned on an edge between the two or more tool parts. A surrounding area of such a seal may in particular comprise a region between the seal and the fiber preform. Alternatively or additionally, the subregion may comprise an inlet of the suction channel from the cavity. Such a positioning of the at least one viscosity-increasing substance can prevent the matrix material from penetrating to the corresponding locations.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst mindestens einen Zulauf, durch den Matrixmaterial in die Kavität geleitet werden kann, um den Faservorformling dadurch von mindestens einer Infiltrationsseite des Faservorformlings her mit dem Matrixmaterial zu infiltrieren; die (mindestens eine) Infiltrationsseite kann beispielsweise einen äußeren (vorzugsweise seitlichen) Rand derjenigen Hälfte oder desjenigen Drittels des Faservorformlings umfassen, die bzw. das beim Einleiten des Matrixmaterials zuerst von diesem infiltriert wird. Das Vorsehen von mehreren Zuläufen für Matrixmaterial kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn durch einen Zulauf in angemessener Zeit nicht ausreichend Matrixmaterial zugeführt werden kann und/oder wenn es vorteilhaft erscheint, den Faservorformling von mehr als einem Punkt bzw. einer Seite mit Matrixmaterial zu infiltrieren. Die Vorrichtung der genannten Ausführungsform umfasst weiterhin mindestens einen Absaugungskanal, der an der (mindestens einen) Infiltrationsseite in die Kavität (bzw. in deren formbildenden Abschnitt zur Aufnahme des Faservorformlings) einmündet und der dazu eingerichtet ist, Luft oder sonstiges Gas aus der Kavität zu leiten. Der mindestens eine Teilbereich mit dem die Viskosität des Matrixmaterials steigernden Stoff umfasst dabei einen Zwischenraum zwischen dem Faservorformling und dem (mindestens einen) Absaugungskanal und/oder einen Eingangsbereich des Absaugungskanals von der Kavität her.A preferred embodiment of a device not according to the invention comprises at least one inlet through which matrix material can be passed into the cavity in order thereby to infiltrate the fiber preform with the matrix material from at least one infiltration side of the fiber preform; For example, the (at least one) infiltration side may comprise an outer (preferably lateral) edge of that half or third of the fiber preform which is first infiltrated by the matrix material upon introduction of the matrix material. The provision of several feeds for matrix material can be useful, in particular, if it is not possible to feed sufficient matrix material through a feed in a reasonable time and / or if it is advantageous to infiltrate the fiber preform from more than one point or one side with matrix material. The device of said embodiment further comprises at least one suction channel, which opens at the (at least one) infiltration side in the cavity (or in the forming portion for receiving the fiber preform) and which is adapted to direct air or other gas from the cavity , The at least one subregion with the substance increasing the viscosity of the matrix material comprises a gap between the fiber preform and the (at least one) suction channel and / or an inlet region of the suction channel from the cavity.
Bei herkömmlichen Infusionsaufbauten werden der Zulauf des Matrixmaterials und die Absaugung der Kavität üblicherweise in größtmöglichem Abstand voneinander positioniert; eine Anordnung von Zulauf und Absaugungskanal gemäß der genannten Ausführungsform kann jedoch insbesondere aufgrund bauartbedingter Einschränkungen hinsichtlich der Positionierbarkeit im formgebenden Werkzeug und/oder aufgrund einer besseren Handhabbarkeit z. B. hinsichtlich des Vorbereitungsprozesses oder einer Werkzeugwartung vorteilhaft sein. Die Anordnung ist möglich, weil der die Viskosität des Matrixmaterials steigernde Stoff in dem Zwischenraum zwischen dem Faservorformling und dem Absaugungskanal ein Eindringen des Matrixmaterials in den Absaugungskanal verhindert. Zudem erlaubt diese Ausführungsform einen Verzicht auf eine Harzfalle: In einer derartigen Harzfalle wird herkömmlicherweise in die Absaugung gelangtes Matrixmaterial aufgefangen, um zu verhindern, dass es in die Vakuumeinheit bzw. Vakuumpumpe gelangt.In conventional infusion constructions, the inflow of the matrix material and the suction of the cavity are usually positioned as far as possible from each other; However, an arrangement of inlet and suction duct according to the above embodiment, in particular due to design-related limitations in terms of the positioning in the forming tool and / or due to better handling z. B. be advantageous in terms of the preparation process or a tool maintenance. The arrangement is possible because the material increasing the viscosity of the matrix material in the space between the fiber preform and the suction channel prevents penetration of the matrix material into the suction channel. In addition, this embodiment allows a dispensing with a resin trap: In such a resin trap conventionally trapped in the suction matrix material is collected to prevent it from entering the vacuum unit or vacuum pump.
Das viskositätssteigernde Material kann in den bzw. im Absaugungskanal in einem Abstand zu einem Ende des Absaugungskanals eingebracht werden oder sein, an dem der Absaugungskanal in die (bzw. in den formbildenden Teil der) Kavität einmündet. Ein derartiger Abstand beträgt vorzugsweise maximal 250 cm, bevorzugter maximal 100 cm. Dabei kann das viskositätssteigernde Material zu einem beliebigen Zeitpunkt (z. B. durch Einspritzen) in die Absaugung eingebracht werden. Dadurch kann ein Spülen der Kavität ermöglicht und gleichwohl auf den Einsatz einer Harzfalle verzichtet werden.The viscosity-increasing material may be introduced into or into the suction channel at a distance from or to an end of the suction channel at which the suction channel opens into the (or into the mold-forming part of) the cavity. Such a distance is preferably at most 250 cm, more preferably at most 100 cm. In this case, the viscosity-increasing material can be introduced into the extraction at any desired time (eg by injection). This allows flushing of the cavity and nevertheless dispenses with the use of a resin trap.
Insbesondere kann das Durchleiten des Matrixmaterials durch den viskositätssteigernden Stoff dessen Vermischung mit dem Matrixmaterial und damit eine Reduktion der Fließfähigkeit des Matrixmaterials bewirken. Dies kann unabhängig von Aushärtungseigenschaften (wie beispielsweise einer Aushärtungsdauer bei vorgegebenen Rahmenbedingungen (z. B. einer Temperatur des Matrixmaterials)) erfolgen oder durch Änderung mindestens einer Aushärtungseigenschaft, beispielsweise durch Herbeiführung einer vorzeitigen oder beschleunigten Aushärtung des Matrixmaterials (bei vorgegebenen Rahmenbedingungen).In particular, the passage of the matrix material through the viscosity-increasing substance can cause its mixing with the matrix material and thus a reduction in the flowability of the matrix material. This can be independent of Curing properties (such as a curing time under predetermined conditions (eg, a temperature of the matrix material)) or by changing at least one curing property, for example by inducing premature or accelerated curing of the matrix material (given default conditions).
Der viskositätssteigernde Stoff kann beispielsweise mindestens ein Thixotropiermittel, ein oder mehrere faserige, watteartige oder flockige Produkte, mindestens einen Härter für das Matrixmaterial und/oder mindestens einen Katalysator umfassen. Vorzugsweise ist oder wird der viskositätssteigernde Stoff unter Berücksichtigung des verwendeten Matrixmater als geeignet ausgewählt.The viscosity-increasing agent may comprise, for example, at least one thixotropic agent, one or more fibrous, cottony or flaky products, at least one hardener for the matrix material and / or at least one catalyst. Preferably, the viscosity-increasing substance is or is selected to be suitable taking into account the matrix material used.
Bei der Verwendung von Epoxy- und/oder Polyesterharzen als Matrixmaterial kann bspw. Thixotropiermittel zweckmäßig zur Viskositätssteigerung bei Erhaltung von Aushärteeigenschaften des Matrixmaterials eingesetzt werden. Des Weiteren kann durch Einbringung von z. B. Baumwollflocken und/oder anderen Produkten oder Fremdkörpern in das Matrixmaterial dessen Viskosität erhöht werden. Außer den hier aufgeführten Stoffen gibt es noch weitere Substanzen, die zu einer Viskositätssteigerung des Matrixmaterials führen können. Dabei kann die Viskositätssteigerung u. a. bspw. durch eine Wechselwirkung (z. B. Van-der-Waals- und/oder Wasserstoffbrückenbindungen) zwischen dem eingebrachten Stoff und im Matrixmaterial vorhandenen Molekülketten hervorgerufen werden.When using epoxy and / or polyester resins as the matrix material, for example, thixotropic agent can be used expediently to increase the viscosity while maintaining the curing properties of the matrix material. Furthermore, by introducing z. As cotton flakes and / or other products or foreign bodies in the matrix material whose viscosity can be increased. In addition to the substances listed here, there are other substances that can lead to an increase in viscosity of the matrix material. The viscosity increase u. a. For example, by an interaction (eg., Van der Waals and / or hydrogen bonds) between the introduced material and present in the matrix material molecule chains are caused.
Eine Viskositätssteigerung des Matrixmaterials durch eine vorzeitige und/oder beschleunigte Aushärtereaktion des Matrixmaterials kann beispielsweise durch Verwendung mindestens eines Initiators (Härters) und/oder mindestens eines Katalysators erreicht werden. Bei der Verwendung von Epoxidharzen als Matrixmaterial können bspw. ein Diamin als Initiator und Triphenylphosphan als Katalysator eingesetzt werden. Eine Verwendung weiterer bzw. anderer Materialien ist ebenso möglich.An increase in viscosity of the matrix material by a premature and / or accelerated hardening reaction of the matrix material can be achieved, for example, by using at least one initiator (hardener) and / or at least one catalyst. When using epoxy resins as the matrix material, for example, a diamine may be used as the initiator and triphenylphosphine as the catalyst. A use of other or other materials is also possible.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beim Einbringen von Härter als viskositätssteigerndem Stoff eine stöchiometrische Zusammensetzung von Harz und Härter berücksichtigt; dadurch kann insbesondere bei der Verwendung eines Epoxy-basierten Matrixmaterials eine gute Festigkeit eines hergestellten Faserverbundbauteils erreicht werden.According to an advantageous embodiment of the present invention, when introducing hardener as a viscosity-increasing substance, a stoichiometric composition of resin and hardener is taken into account; As a result, in particular when using an epoxy-based matrix material, good strength of a manufactured fiber composite component can be achieved.
Alternativ können Härter und Matrixmaterial in dem Teilbereich in zueinander unstöchiometrischem Verhältnis vermischt werden, so dass also einer der beiden Stoffe reaktiv im Überschuss vorliegt; auf genaue und aufwendige Abmessungen kann in diesem Falle verzichtet werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn die Herstellung des Verbundbauteils nach dem Aushärten des Matrixmaterials ein Entfernen eines betroffenen Bereichs umfasst.Alternatively, hardener and matrix material can be mixed in the sub-region in mutually unstoichiometric ratio, so that therefore one of the two substances is reactively in excess; Exact and complex dimensions can be dispensed with in this case, which is particularly advantageous if the production of the composite component comprises a removal of an affected area after curing of the matrix material.
Vorzugsweise ist der mindestens eine viskositätssteigernde Stoff mindestens teilweise nicht formstabil. Er kann beispielsweise in Form eines Gelees, einer Flüssigkeit und/oder Paste in den Teilbereich eingebracht werden oder worden sein.Preferably, the at least one viscosity-increasing substance is at least partially not dimensionally stable. It may, for example, be introduced into the subregion in the form of a jelly, a liquid and / or paste.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der viskositätssteigernde Stoff mindestens zum Teil trägermittelfrei (also in Reinform) in dem Teilbereich der Kavität positioniert; dies ist besonders im Falle eines geleeartigen, festen oder pastosen viskositätssteigernden Stoffes geeignet.According to an advantageous embodiment, the viscosity-increasing substance is positioned at least partly free of carrier medium (ie in pure form) in the partial area of the cavity; This is particularly suitable in the case of a jelly-like, solid or viscous viscosity-enhancing substance.
Das Einbringen des viskositätssteigernden Stoffes kann vor dem Zuführen des Matrixmaterials in die Kavität und/oder bei bereits fließendem Matrixmaterial erfolgen.The introduction of the viscosity-increasing substance can take place before the matrix material is fed into the cavity and / or when the matrix material is already flowing.
Insbesondere kann der viskositätssteigernde Stoff vor einem Anordnen des Faservorformlings in den Teilbereich der Kavität eingebracht werden. In diesem Falle kann gegebenenfalls mindestens ein Abschnitt des Faservorformlings auf einer flächigen Schicht, einer linienförmigen Spur und/oder einem punktförmigen Fleck mit dem viskositätssteigernden Stoff angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der viskositätssteigernde Stoff mindestens zum Teil direkt auf einen Abschnitt (vorzugsweise einen Rand) des Faservorformlings aufgebracht sein oder werden.In particular, the viscosity-increasing substance can be introduced into the partial region of the cavity before arranging the fiber preform. In this case, if appropriate, at least a portion of the fiber preform may be arranged on a sheet, a linear track and / or a dot-shaped stain with the viscosity-increasing substance. Alternatively or additionally, the viscosity-increasing agent may be or at least partially applied directly to a portion (preferably an edge) of the fiber preform.
Ein derartiges Anreichern des Faservorformlings kann insbesondere einem Verhindern oder zumindest Reduzieren eines Matrixmaterialflusses aus dem Fasermaterial heraus (also vom Inneren des Faservorformlings nach außen) dienen.Such an enrichment of the fiber preform can in particular serve to prevent or at least reduce a flow of matrix material out of the fiber material (ie, from the interior of the fiber preform to the outside).
Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Teil des viskositätssteigernden Stoffes auf ein und/oder in einem Trägermaterial auf- bzw. eingebracht sein oder werden. Das Trägermaterial kann mindestens teilweise beispielsweise mit dem viskositätssteigernden Stoff durchtränkt sein, oder der viskositätssteigernde Stoff kann auf das Trägermaterial aufgestrichen sein.Alternatively or additionally, at least part of the viscosity-increasing substance may be or are incorporated on and / or in a carrier material. The carrier material may be at least partially soaked, for example, with the viscosity-increasing substance, or the viscosity-increasing substance may be spread onto the carrier material.
Als Trägermaterial kann bspw. eine gitterartige Struktur, ein Gewirk, Gestrick, Vlies, Gel oder ein andersartiges Material dienen. Alternativ oder zusätzlich kann als Trägermaterial für den viskositätssteigernden Stoff mindestens eine flächige Fließhilfe verwendet werden; eine derartige Fließhilfe kann herkömmlicherweise zur schnellen oberflächigen Verteilung von Matrixmaterial bei Harzinfusionsprozessen (bevorzugt auf einseitig formgebendem Werkzeug) zur Anwendungen kommen.For example, a grid-like structure, knitted fabric, knitted fabric, fleece, gel or another type of material can serve as the carrier material. Alternatively or additionally, at least one planar flow aid can be used as the carrier material for the viscosity-increasing substance; Such a flow aid can conventionally be used for rapid superficial distribution of matrix material in resin infusion processes (preferably on one-sided shaping tool) come to applications.
Ein derartiges Trägermaterial kann sich über (lediglich) einen Teil einer Oberfläche des Werkzeugs erstrecken, die die Kavität ausbildet, beispielsweise an einem Rand der Oberfläche und/oder in einem Bereich zwischen Faservorformling und formgebendem Werkzeug, z. B. seitlich (horizontal) neben dem Faservorformling, und/oder auf einer Grund- und/oder Deckfläche der Kavität.Such a carrier material may extend over (only) a portion of a surface of the tool forming the cavity, for example, at an edge of the surface and / or in a region between the fiber preform and the forming tool, e.g. B. laterally (horizontally) next to the fiber preform, and / or on a base and / or top surface of the cavity.
Alternativ kann die Kavität im Wesentlichen vollständig (z. B. zu mindestens 90% ihrer Begrenzungsfläche) mit einem solchen Trägermaterial ausgekleidet sein, so dass sich das Trägermaterial also über im Wesentlichen eine gesamte Oberfläche des Werkzeugs erstreckt, die die Kavität ausbildet. Beispielsweise kann ein dünnes Vlies (bspw. ein Vlies mit einem Flächengewicht von weniger als 25 g/m2, bevorzugter zwischen 7 g/m2 und 15 g/m2) aus Kohlenstofffasern oder aus einem anderen passenden Material auf und/oder unter dem Faservorformling und/oder innerhalb des Faservorformlings als ein flächiges Trägermaterial in der Kavität angeordnet werden; vorzugsweise hat ein derartiges Trägermaterial mindestens an einem Rand des Faservorformlings diesem gegenüber ein Übermaß. Dabei ist es vorteilhaft, das Trägermaterial lediglich in den Bereichen mit einem viskositätssteigernden Material zu versehen, in denen die Fortbewegung des Matrixmaterials beeinflusst werden soll.Alternatively, the cavity may be substantially completely lined (eg at least 90% of its boundary surface) with such a carrier material so that the carrier material thus extends over substantially an entire surface of the tool forming the cavity. For example, a thin web (eg, a nonwoven having a basis weight of less than 25 g / m2 , more preferably between 7 g / m2 and 15 g / m2 ) may be made of carbon fibers or other suitable material on and / or under the Fiber preform and / or within the fiber preform are arranged as a sheet carrier material in the cavity; Such a carrier material preferably has an excess at least at one edge of the fiber preform. It is advantageous to provide the carrier material only in the areas with a viscosity-increasing material in which the movement of the matrix material to be influenced.
Alternativ oder zusätzlich kann ohnehin im Faservorformling vorgesehenes Fasermaterial (z. B. eine oder mehrere Gewebe- und/oder Gelegelagen) als Trägermaterial verwendet werden.Alternatively or additionally, fiber material already provided in the fiber preform (eg one or more fabric layers and / or gel layers) can be used as carrier material.
Ein Trägermaterial kann beispielsweise eine Dicke von 0,004 - 4 mm aufweisen, bevorzugt zwischen 0,01 mm und 1 mm. Es kann in einem Randbereich des Faservorformlings und ggf. darüber hinaus positioniert werden. Bei Verwendung eines geschlossenen formgebenden Werkzeugs kann ein im Randbereich der Kavität vorhandenes Trägermaterial ein zusätzliches Kompaktieren des Faservorformlings bewirken. Ein Durchfließen des Matrixmaterials durch diesen Bereich kann dadurch bereits erschwert und durch den viskositätssteigernden Stoff nochmals gebremst werden. Etwaig im Faservorformling vorhandene Luft kann durch die kleinen Poren im Randbereich jedoch weiterhin aus dem Fasermaterial gesaugt bzw. von der Fließfront des Matrixmaterials herausgeschoben werden. Bei einer solchen Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, den Randbereich, der aufgrund des zusätzlich zum Faservorformling eingebrachten Trägermaterials einen sehr hohen Faservolumengehalt aufweist, vom hergestellten Faserverbundbauteil zu entfernen, bevor dieses seinem Einsatzzweck nachkommt.A carrier material may for example have a thickness of 0.004-4 mm, preferably between 0.01 mm and 1 mm. It can be positioned in an edge region of the fiber preform and possibly beyond it. When using a closed forming tool, a carrier material present in the edge region of the cavity can bring about additional compacting of the fiber preform. A flow through the matrix material through this area can already be made difficult and further slowed down by the viscosity-increasing substance. However, any air present in the fiber preform can still be sucked out of the fiber material or pushed out of the flow front of the matrix material by the small pores in the edge region. In such an embodiment, it may be advantageous to remove the edge region, which has a very high fiber volume content due to the carrier material introduced in addition to the fiber preform, from the produced fiber composite component before it meets its intended use.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Trägermaterial Kohlenstoff-, Glas-, und/oder Aramidfasern und/oder mindestens ein Polymer. Dies ist insbesondere bei einer Verwendung eines flächigen Trägermaterials vorteilhaft, bei der das Trägermaterial zumindest teilweise am und/oder im hergestellten Faserverbundbauteil verbleiben soll: Auf diese Weise kann zum einen auf einen aufwendigen Ablöseschritt verzichtet werden, zum anderen können Materialeigenschaften des hergestellten Faserverbundbauteils durch das verbliebene Trägermaterial positiv beeinflusst werden. Umfasst das Trägermaterial beispielsweise ein Polymer (z. B. ein thermoplastisches Polymer wie z. B. Polyetherimid (PEI) oder Polyetheretherketon (PEEK)), das sich während des Herstellungsprozesses des Faserverbundbauteils an- und/oder auflöst bzw. schmilzt, kann dadurch die Schlagzähigkeit des hergestellten Bauteils verbessert werden.According to a preferred embodiment, the carrier material comprises carbon, glass, and / or aramid fibers and / or at least one polymer. This is advantageous in particular when using a flat carrier material in which the carrier material is to remain at least partially on and / or in the produced fiber composite component: in this way, a costly detachment step can be dispensed with, and secondly material properties of the produced fiber composite component can be eliminated by the remaining fiber composite component Carrier material can be positively influenced. If the carrier material comprises, for example, a polymer (for example a thermoplastic polymer such as, for example, polyetherimide (PEI) or polyetheretherketone (PEEK)), which dissolves and / or dissolves or melts during the production process of the fiber composite component, this can result in Impact strength of the manufactured component can be improved.
Ein derart hergestelltes Faserverbundbauteil umfasst dem entsprechend ein von einem Matrixmaterial infiltriertes Fasermaterial sowie ein Trägermaterial für mindestens einen viskositätssteigernden Stoff. Das Trägermaterial kann dabei mindestens teilweise in das Fasermaterial eingedrungen und/oder an diesem ausgehärtet sein und/oder zumindest teilweise andersartig innerhalb diesem positioniert sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil Rückstände eines viskositätssteigernden Stoffes enthalten; derartige Rückstände können einen Rückschluss auf die Verwendung des viskositätssteigernden Stoffes zulassen, und zwar vorzugsweise auch dann, wenn kein Trägermaterial verwendet wurde.A fiber composite component produced in this way accordingly comprises a fiber material infiltrated by a matrix material and a carrier material for at least one viscosity-increasing substance. The carrier material may be at least partially penetrated into the fiber material and / or cured on this and / or at least partially positioned differently within this. Alternatively or additionally, a fiber composite component according to the invention may contain residues of a viscosity-increasing substance; Such residues may allow conclusions about the use of the viscosity-increasing substance, preferably even if no carrier material was used.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entfaltet der mindestens eine viskositätssteigernde (beispielsweise einen Initiator und/oder einen Katalysator umfassende) Stoff seine viskositätssteigernde Wirkung bei bloßem Kontakt mit dem Matrixmaterial. Alternativ kann der viskositätssteigernde Stoff während des Infusionsvorgangs bspw. von dem Trägermaterial abgelöst und/oder aus diesem ausgewaschen werden. Daneben sind weitere Möglichkeiten denkbar, wie der viskositätssteigernde Stoff vom Trägermaterial an das Matrixmaterial abgegeben werden kann.According to a preferred embodiment of the present invention, the at least one viscosity-increasing substance (comprising for example an initiator and / or a catalyst) exhibits its viscosity-increasing effect on mere contact with the matrix material. Alternatively, during the infusion process, the viscosity-increasing substance can, for example, be detached from the carrier material and / or washed out of it. In addition, other possibilities are conceivable, such as the viscosity-increasing substance can be discharged from the carrier material to the matrix material.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombinierbar sind als dargestellt.In the following preferred embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to drawings. It is understood that individual elements and components can be combined differently than shown.
Es zeigen schematisch:
-
1a ,1b ,1c drei mögliche Positionen des mindestens einen Teilbereichs gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; -
2a ,2b eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung in zwei Zuleitungszuständen; -
3 einen beispielhaften Ausschnitt einer Halbschale eines zweiseitigen formbildenden Werkzeugs mit Faservorformling und Trägermaterial für einen viskositätssteigernden Stoff gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1a .1b .1c three possible positions of the at least one subarea according to embodiments of the present invention; -
2a .2 B an exemplary embodiment of a device in two supply states; -
3 an exemplary section of a half-shell of a two-sided shape-forming tool with fiber preform and carrier material for a viscosity-increasing substance according to an embodiment of the present invention.
In den
Ein Teilbereich
In der in
Es versteht sich, dass es außer den gezeigten Beispielen andere oder weitere Möglichkeiten für Teilbereiche gibt, in die ein viskositätssteigernder Stoff vorteilhaft eingebracht werden kann; der Teilbereich kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Einsatzzweck des Faserverbundbauteils und/oder von dem verwendeten Matrixmaterialien und/oder viskositätssteigernden Stoff gewählt werden.It is understood that, in addition to the examples shown, there are other or further possibilities for subregions into which a viscosity-increasing substance can advantageously be introduced; the subregion can be selected, for example, as a function of an intended use of the fiber composite component and / or of the matrix materials used and / or viscosity-increasing substance.
Insbesondere kann ein derartiger Teilbereich alternativ zu den in den
Der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens erstreckt sich insbesondere auf die Beeinflussung der Fortbewegung des Matrixmaterials außerhalb des Faservorformlings während eines Infusionsvorgangs. Alternativ oder zusätzlich kann eine erfindungsgemäße Beeinflussung der Fortbewegung des Matrixmaterials in einem Randbereich innerhalb des Faservorformlings vorteilhaft sein.The field of application of the method according to the invention extends in particular to the influencing of the movement of the matrix material outside the fiber preform during an infusion process. Alternatively or additionally, an influencing of the movement of the matrix material according to the invention in an edge region within the fiber preform may be advantageous.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Fortbewegung des Matrixmaterials in einem Bereich eines Absaugungskanals beeinflusst. Durch einen dort eingebrachten viskositätssteigernden Stoff kann das Eintreten oder Fortschreiten von Matrixmaterial in den bzw. im Absaugungskanal unterbunden oder zumindest stark einschränkt werden, so dass in diesem Bereich auf eine Harzfalle verzichtet werden kann.According to a further embodiment, a movement of the matrix material in a region of a suction channel is influenced. By introducing a viscosity-increasing substance introduced there, the entry or progression of matrix material into or into the suction channel can be prevented or at least severely limited, so that a resin trap can be dispensed with in this area.
In den
Die Kavität
Während in herkömmlichen Infusionsaufbauten ein Zulauf des Matrixmaterials und ein Absaugungskanal üblicherweise in größtmöglichem Abstand zueinander positioniert werden, um ein Eindringen von Matrixmaterial in den Absaugungskanal zu verhindern, ist der Absaugungskanal
Insbesondere ergibt sich so zwischen dem an der Fortbewegung gehinderten Matrixmaterial
In
Die Kavität
In der Kavität
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 20, 21, 2220, 21, 22
- FaservorformlingFiber preform
- 30, 3130, 31
- viskositätssteigernder Stoffviscosity-increasing substance
- 4040
- Freiraumfree space
- 5050
- Überlappungszoneoverlap zone
- 6060
- Matrixmaterialmatrix material
- 6161
- mit viskositätssteigerndem Stoff versetztes Matrixmaterialmatrix material mixed with viscosity-increasing substance
- 7070
- Luftspaltair gap
- 8080
- Trägermaterialsupport material
- 100, 110, 120100, 110, 120
- formbildendes Werkzeugmold-forming tool
- 101, 111, 121101, 111, 121
- Kavitätcavity
- 112112
- ZulaufIntake
- 113113
- AbsaugungskanalAbsaugungskanal
- 113'113 '
- Einmündung des AbsaugungskanalsJunction of the suction channel
- 122122
- Zulaufrohrsupply pipe
- 124124
- Oberfläche des formbildenden WerkzeugsSurface of the forming tool
- 125125
- Abdichtungseal
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