DE102015200763B4 - Process and tool for producing a fiber composite component - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils (26) bei dem
- zwischen zwei Werkzeugteile (14, 16) eine Pressmasse (20) eingebracht wird, die eine nicht ausgehärtete Kunststoffmatrix und Fasern enthält, sodass zumindest ein Abschnitt (22) der durch die geschlossenen Werkzeugteile (14, 16) gebildeten Werkzeugform (18) frei bleibt, und
- die Werkzeugteile (14, 16) geschlossen werden, sodass die Pressmasse (20) in den freien Abschnitt (22) fließt, wobei sich die Fasern an in die Werkzeugform (18) hineinragenden Strukturen (24) wenigstens teilweise ausrichten.
Method for producing a fiber composite component (26) in which
- a molding compound (20) containing an uncured plastic matrix and fibers is introduced between two tool parts (14, 16), so that at least one section (22) of the tool mold (18) formed by the closed tool parts (14, 16) remains free, and
- the tool parts (14, 16) are closed so that the molding compound (20) flows into the free section (22), the fibers at least partially aligning themselves with structures (24) projecting into the tool mold (18).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils.The invention relates to a method and a tool for producing a fiber composite component.
Zur Herstellung von Faserverbund-Bauteilen werden oft vorgefertigte Sheet Molding Compounds eingesetzt. Dabei handelt es sich um plattenförmige, teigartige Pressmassen aus einer nicht ausgehärteten Kunststoffmatrix, beispielsweise einem Duroplast, mit beigemischten Fasern, wobei Faserlängen von 25 bis 50 mm geläufig sind.Prefabricated sheet molding compounds are often used to manufacture fiber composite components. These are plate-shaped, dough-like molding compounds made from an uncured plastic matrix, for example a thermoset, with fibers mixed in; fiber lengths of 25 to 50 mm are common.
Die
Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird ein Sheet Molding Compound (SMC) in eine Werkzeugform eingelegt und das Werkzeug geschlossen. Durch den Druck, den das sich schließende Werkzeug ausübt, verteilt sich die Pressmasse in der gesamten Werkzeugform. In der Pressmasse enthaltene Fasern erhalten durch diesen Fließprozess eine unkontrollierte, größtenteils ungeordnete Ausrichtung.In another known process, a sheet molding compound (SMC) is placed in a mold and the mold is closed. The pressure exerted by the closing mold distributes the molding compound throughout the mold. This flow process causes fibers contained in the molding compound to take on an uncontrolled, largely disordered orientation.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Herstellungsverfahren besser kontrollierbar zu machen, vor allem was die Ausrichtung der Fasern im fertigen Faserverbund-Bauteil angeht.The object of the invention is to make such a manufacturing process more controllable, especially with regard to the orientation of the fibers in the finished fiber composite component.
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils eine nicht ausgehärtete Reaktionsharze und Fasern enthaltende Pressmasse so zwischen zwei Werkzeugteile eingebracht, dass zumindest ein Abschnitt der durch die geschlossenen Werkzeugteile gebildeten Werkzeugform frei bleibt. Die Werkzeugteile werden geschlossen, wobei die Pressmasse in den freien Abschnitt fließt, wobei sich die Fasern an in die Werkzeugform hineinragenden Strukturen wenigstens teilweise ausrichten. Durch die Einwirkung der Strukturen, entlang derer die Fasern in Fließrichtung bewegt werden, erfolgt zwangsläufig eine gewisse Ausrichtung der Fasern in Fließrichtung, da diese von den Strukturen sozusagen gekämmt werden. Das Maß der Ausrichtung lässt sich durch Form, Größe und Abstand der einzelnen Strukturen in Abstimmung auf die Faserlänge gezielt beeinflussen.According to the invention, in a method for producing a fiber composite component, a molding compound containing uncured reaction resins and fibers is introduced between two tool parts in such a way that at least one section of the tool mold formed by the closed tool parts remains free. The tool parts are closed, the molding compound flows into the free section, and the fibers are at least partially aligned on structures protruding into the tool mold. The effect of the structures along which the fibers are moved in the flow direction inevitably results in a certain alignment of the fibers in the flow direction, since they are combed by the structures, so to speak. The degree of alignment can be specifically influenced by the shape, size and spacing of the individual structures in coordination with the fiber length.
Die Pressmasse wird vorzugsweise durch die Schließbewegung der Werkzeugteile in den oder die freien Abschnitte der Werkzeugform gedrückt. Dabei kann die Fließbewegung ausschließlich durch die sich schleißende Werkzeugform selbst hervorgerufen werden.The molding compound is preferably pressed into the free section(s) of the mold by the closing movement of the mold parts. The flow movement can only be caused by the wearing mold itself.
Bei einem Werkzeug zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens sind die Strukturen vorzugsweise an einer Innenseite des jeweiligen Werkzeugteils angeordnet und stehen von dieser ab, sodass sie in die Werkzeugform hineinragen.In a tool for carrying out a method described above, the structures are preferably arranged on an inner side of the respective tool part and protrude from it so that they protrude into the tool shape.
Die Strukturen können zumindest abschnittsweise an den Innenseiten von einem oder von beiden Werkzeugteilen vorgesehen sein. Somit lässt sich festlegen, welche Bereiche an gegenüberliebenden Seiten des fertigen Faserverbund-Bauteils ausgerichtete Fasern aufweisen und in welchen Bereichen die Fasern ungeordnet liegen sollen.The structures can be provided at least in sections on the inside of one or both tool parts. This makes it possible to determine which areas on opposite sides of the finished fiber composite component have aligned fibers and in which areas the fibers should be arranged in a random manner.
Die Strukturen sind vorteilhaft in Entformungsrichtung des Bauteils, also parallel zur Öffnungsrichtung der Werkzeugteile, ausgerichtet, sodass durch die Strukturen keine Hinterschnitte gebildet werden und das fertige Bauteil problemlos entformt werden kann.The structures are advantageously aligned in the demolding direction of the component, i.e. parallel to the opening direction of the tool parts, so that no undercuts are formed by the structures and the finished component can be demolded without any problems.
Die Strukturen können in Stiftform ausgebildet sein und können beispielsweise einen runden oder einen länglichen Querschnitt haben, wobei bei einem nichtrunden Querschnitt die Schmalseite vorzugsweise in Fließrichtung der Pressmasse ausgerichtet ist. Der Durchmesser, die Länge und die Form der Strukturen, sowie deren Anordnungsmuster und Abstand kann über die Innenseite der Werkzeugteile variieren.The structures can be in the form of a pin and can, for example, have a round or an elongated cross-section, whereby in the case of a non-round cross-section the narrow side is preferably aligned in the flow direction of the molding compound. The diameter, length and shape of the structures, as well as their arrangement pattern and spacing, can vary over the inside of the tool parts.
Die Länge der Strukturen kann z.B. etwa 1,0 - 3,0 mm betragen.The length of the structures can be, for example, about 1.0 - 3.0 mm.
Zu ihrem freien Ende hin verjüngen sich die Strukturen vorzugsweise und laufen insbesondere spitz zu. Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise insbesondere eine gute Faserverteilung zwischen einer Schicht an der Außenseite des Bauteils mit geordneten und einer Schicht mit ungeordneten Fasern im Inneren des Bauteils erreicht werden können.The structures preferably taper towards their free end and in particular become pointed. It has been found that in this way a good fiber distribution can be achieved between a layer on the outside of the component with ordered fibers and a layer with disordered fibers inside the component.
Die Strukturen können in einem periodischen Raster angeordnet sein, beispielsweise einem Quadrat- oder Hexagonmuster. Das Raster kann in unterschiedlichen Abschnitten der Werkzeugteile verschieden ausgebildet sein, was Abstand und Geometrie angeht. Ebenso können die Raster an dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil unterschiedlich ausgebildet sein.The structures can be arranged in a periodic grid, for example a square or hexagon pattern. The grid can be designed differently in different sections of the tool parts in terms of spacing and geometry. The grids on the first and second tool parts can also be designed differently.
Es hat sich herausgestellt, dass eine gute Ausrichtung der Fasern erreichbar ist, wenn der Abstand der Strukturen kürzer ist als die durchschnittliche Faserlänge der Fasern in der Pressmasse.It has been found that good alignment of the fibers can be achieved if the distance between the structures is shorter than the average fiber length of the fibers in the molding compound.
Die Faserlänge kann beispielsweise 20 bis 60 mm betragen, während die Strukturen im Abstand von etwa 2 bis 30 mm, bevorzugt von etwa 10 mm angeordnet sind.The fiber length can be, for example, 20 to 60 mm, while the structures are arranged at a distance of about 2 to 30 mm, preferably about 10 mm.
Die Fasern können beliebiger Art sein, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern, es können aber auch Naturfasern wie beispielsweise Hanf, Kapok, Baumwolle oder Ramie zum Einsatz kommen.The fibers can be of any type, for example glass fibers, carbon fibers, basalt fibers, but natural fibers such as hemp, kapok, cotton or ramie can also be used.
Die Kunststoffmatrix ist beispielsweise ein Kunstharz, vorzugsweise ein Duroplast.The plastic matrix is, for example, a synthetic resin, preferably a thermoset.
Die Strukturen sind in einer möglichen Ausführungsform so angeordnet, dass bei geschlossenen Werkzeugteilen in Schließrichtung in der Werkzeugform zwischen den Werkzeugteilen ein Spalt bestehen bleibt, der frei von Strukturen ist. Die Gesamtlänge der Strukturen ist in diesem Fall kleiner als der Abstand der Werkzeugteilinnenseiten bei geschlossenem Werkzeug. Auf diese Weise lässt sich eine Sandwichkonstruktion mit einer oder zwei gerichteten Schichten jeweils an den Oberflächen des Faserverbund-Bauteils und einer Schicht mit isotrop verteilten, ungerichteten Fasern in der Mitte des Faserverbund-Bauteils herstellen. So kann beispielsweise bei einer Strukturlänge von etwa 2 mm einseitig oder beidseitig an den Oberflächen des Faserverbund-Bauteils die Schicht mit geordnet ausgerichteten Fasern eine Dicke von etwa 2 mm aufweisen, während in größerer Tiefe im Inneren des Bauteils die Fasern im Wesentlichen ungerichtet angeordnet sind. Die Breite des strukturfreien Spaltes kann über die Werkzeugform variieren.In one possible embodiment, the structures are arranged in such a way that when the tool parts are closed in the closing direction in the tool mold, a gap remains between the tool parts that is free of structures. In this case, the total length of the structures is smaller than the distance between the insides of the tool parts when the tool is closed. In this way, a sandwich construction can be produced with one or two oriented layers on the surfaces of the fiber composite component and a layer with isotropically distributed, unoriented fibers in the middle of the fiber composite component. For example, with a structure length of about 2 mm, the layer with ordered fibers on one or both sides of the surfaces of the fiber composite component can have a thickness of about 2 mm, while at a greater depth inside the component the fibers are arranged essentially unoriented. The width of the structure-free gap can vary depending on the tool shape.
Die Strukturen können jedoch auch so lang gewählt sein, dass keine ungerichtete Schicht verbleibt.However, the structures can also be chosen to be so long that no undirected layer remains.
Es ist möglich, die Strukturen der beiden Werkzeugteile so anzuordnen, dass diese in Draufsicht übereinander liegen. Es ist aber auch möglich, die Strukturen an beiden Werkzeugteilen versetzt gegeneinander auszubilden.It is possible to arrange the structures of the two tool parts so that they lie on top of each other in a plan view. However, it is also possible to form the structures on both tool parts offset from each other.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- -
1 eine schematische Darstellung einer Innenseite eines Werkzeugteils eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; - -
2 eine schematische Längsschnittansicht durch eine der Strukturen an der Innenseite des Werkzeugteils aus1 ; - -
3 bis 6 verschiedene Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung; und - -
7 einen schematischen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit einem darin angeordneten, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Faserverbund-Bauteil gemäß einer möglichen Ausführungsform.
- -
1 a schematic representation of an inner side of a tool part of a tool according to the invention for carrying out a method according to the invention; - -
2 a schematic longitudinal sectional view through one of the structures on the inside of the tool part1 ; - -
3 to 6 various steps of a method according to the invention in a schematic representation; and - -
7 a schematic section through a tool according to the invention with a fiber composite component arranged therein and produced by the method according to the invention according to a possible embodiment.
Das hier dargestellte Werkzeug 10 besitzt neben dem ersten Werkzeugteil 14 ein zweites Werkzeugteil 16, wobei im geschlossenen Zustand des Werkzeugs eine durch die beiden Werkzeugteile 14, 16 umschlossene Werkzeugform 18 definiert ist (siehe
Das Werkzeug 10 dient zur Durchführung eines SMC-Verfahrens, bei dem eine plattenförmige, teigartige Pressmasse 20, hier in Form eines Sheet Molding Compounds (SMC), in einen Abschnitt des Werkzeugs 10 zwischen die Werkzeugteile 14, 16 eingelegt wird, sodass ein großer Abschnitt 22 der Werkzeugform 18 zunächst frei von Pressmasse 20 bleibt.The
In der Pressmasse 20 sind (nicht näher dargestellte) Fasern, beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder andere geeignete Fasern von einer Länge von z.B. etwa 10 bis 60 mm enthalten.The
An der Innenseite 12 eines oder beider Werkzeugteile 14, 16, sind Strukturen 24 vorgesehen, die senkrecht von der Innenseite 12 des jeweiligen Werkzeugteils 14, 16 in die Werkzeugform 18 hineinragen. Die Strukturen 24 sind hier in Form von spitz zulaufenden Stiften ausgebildet (siehe
In diesem Beispiel ragen die Strukturen 24 über eine Länge I von etwa 2 mm in die Werkzeugform 18 hinein und haben einen Durchmesser b von etwa 2 mm. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die Strukturen 24 jeweils kegelförmige, zu ihrem freien Ende hin spitz zulaufende Stifte mit rundem Querschnitt. Es wäre aber möglich, den Strukturen 24 jede beliebige, im Ermessen des Fachmanns geeignete Form zu geben.In this example, the
Die Strukturen 24 sind hier in einem symmetrischen Raster angeordnet, in dem in
In dem hier dargestellten Beispiel sind Strukturen 24 mit gleicher Länge I und gleichen Abständen über die gesamten Innenseiten 12 beider Werkzeugteile 14, 16 vorgesehen, wie in den
Die Strukturen 24 sind stets so angeordnet, dass sie in Entformungsrichtung des Werkzeugs 10, also in der Öffnungsrichtung der Werkzeugteile 14, 16 orientiert sind, sodass sie keinerlei Hinterschnitte in der Werkzeugform 18 bilden.The
Die Länge l der Strukturen 24 kann so gewählt werden, dass sie kleiner ist als der Abstand a der Innenseiten 12 der beiden Werkzeugteile 14, 16 im geschlossenen Zustand des Werkzeugs 10 (siehe
Zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 26 mit teilweise ausgerichteten Fasern wird die Pressmasse 20 in einen Abschnitt des Werkzeugs 10 zwischen die Werkzeugteile 14, 16 eingelegt (siehe
Während das Werkzeug 10 geschlossen wird, indem die Werkzeugteile 14, 16 aufeinander zubewegt werden, wird durch den so erzeugten Druck die Pressmasse 20 in einer Fließrichtung F in den freien Abschnitt 22 der Werkzeugform 18 hineingedrückt und füllt auf diese Weise die Werkzeugform 18 im Wesentlichen vollständig aus, wenn das Werkzeug 10 vollständig geschlossen ist (
Durch die Fließbewegung wird die Pressmasse 20 zusammen mit den darin enthaltenen Fasern an den Strukturen 24 vorbeibewegt, wobei ein Ausrichten der Fasern in Fließrichtung F erfolgt. Das Ausrichten der Fasern erfolgt jedoch nur in dem Bereich, wo die Pressmasse 20 mit den Strukturen 24 in Berührung kommt und ist somit durch die Länge I der Strukturen 24 sowie deren lateralen Abstand dx, dy vorgegeben.Due to the flow movement, the
In dem dargestellten Beispiel sind die Strukturen 24 so kurz gewählt, dass in der Mitte der Werkzeugform 18 zwischen den Innenseiten 12 der Werkzeugteile 14, 16 ein Spalt 28 bestehen bleibt (siehe
Infolgedessen wird in dem hier gezeigten Verfahren ein Faserverbund-Bauteil 26 mit einer Sandwichstruktur hergestellt, das an beiden Oberflächen eine orientierte Schicht 30 mit ausgerichteten Fasern aufweist, während dazwischen eine isotrope Schicht 32 mit nicht ausgerichteten Fasern liegt.As a result, in the process shown here, a
Die Fasern behalten ihre nach Abschluss des Fließprozesses eingenommene Ausrichtung auch nach dem Aushärten der Pressmasse 20 im fertigen Faserverbund-Bauteil 26 bei.The fibers retain the orientation they assumed after completion of the flow process even after the
Claims (10)
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DE112011105014B4 (en) | 2011-03-08 | 2014-11-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Process for producing a fiber-reinforced synthetic resin part |
DE102013209558A1 (en) | 2013-05-23 | 2014-11-27 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Press tool and method for pressing unidirectional fiber rovings |
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