DE102015215669A1 - Method for producing a fiber composite component by means of impregnated fiber rovings - Google Patents

Method for producing a fiber composite component by means of impregnated fiber rovings Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit mindestens den folgenden Schritten vorgesehen: Bereitstellen von Faserrovings, welche mit einer Matrix imprägniert sind, Ablegen der imprägnierten Faserrovings auf einem Träger mittels einer Legevorrichtung entlang vordefinierter Raumkurven, und Fixieren der imprägnierten Faserrovings an dem Träger zum Erzeugen eines Faserhalbzeugs, Pressen und/oder Härten des erzeugten Faserhalbzeugs zu dem Faserverbundbauteil.There is provided a method of making a fiber composite member comprising at least the following steps: providing fiber rovings impregnated with a matrix, depositing the impregnated fiber rovings on a carrier by means of a laying device along predefined space curves, and fixing the impregnated fiber rovings to the carrier for forming a semifinished fiber product, pressing and / or curing of the semi-finished fiber produced to the fiber composite component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mittels Faserrovings.The invention relates to a method for producing a fiber composite component by means of fiber roving.

Für die Herstellung von komplexen Faserverbundbauteilen sind verschiedene Herstellungsverfahren bekannt. Insbesondere das sogenannte TFP-Verfahren (Tailored Fiber Placement) ermöglicht eine Herstellung mit geringen Verschnittresten und bietet Vorteile hinsichtlich einer kurzen Taktzeit und geringer Kosten.For the production of complex fiber composite components, various manufacturing methods are known. In particular, the so-called TFP (Tailored Fiber Placement) method allows production with low Verschnittresten and offers advantages in terms of a short cycle time and low cost.

Hierbei werden üblicherweise Faserrovings in trockener Form oder mit einem aufgebrachten Bindermaterial auf ein Trägermaterial aufgenäht oder gestickt. Hierbei ist das Ablegen der Faserroving mit einem vergleichsweise langsamen Näh- beziehungsweise Stickprozess kombiniert, sodass der gesamte Ablagevorgang deutlich verlangsamt wird. Zudem ist eine nachfolgende Imprägnierung des auf diese Weise erzeugten Faserhalbzeugs erforderlich, die insbesondere bei größeren Rovingdicken (zum Beispiel sogenannte 50 k-Rovings oder dicker) hinsichtlich einer vollständigen Tränkung der Fasern schwierig ist. Üblicherweise wird das erzeugte Faserhalbzeug – vereinfacht dargestellt – in ein Werkzeug zum Nasspressen oder für den sogenannten RTM-Prozess eingelegt, imprägniert, verpresst und zu einem fertigen Faserverbundbauteil ausgehärtet.This usually fiber rovings are sewn or embroidered in a dry form or with an applied binder material on a substrate. Here, the filing of the fiber roving is combined with a comparatively slow sewing or embroidery process, so that the entire filing process is significantly slowed down. In addition, a subsequent impregnation of the semi-finished fiber produced in this way is required, which is difficult in particular for larger roving thicknesses (for example, so-called 50 k rovings or thicker) with respect to a complete impregnation of the fibers. Usually, the semi-finished fiber produced is - in simplified form - placed in a tool for wet pressing or for the so-called RTM process, impregnated, pressed and cured to form a finished fiber composite component.

Die DE 10 2010 023 044 A1 beschreibt ein TFP-Verfahren, bei dem ein separat auf die Faserrovings aufgebrachter Binder eingesetzt wird, sodass auf ein Vernähen verzichtet werden kann.The DE 10 2010 023 044 A1 describes a TFP process in which a binder applied separately to the fiber rovings is used so that sewing can be dispensed with.

Alternativ ist beispielsweise in der DE 10 2012 102 407 A1 ein Verfahren zum Erstellen von Werkstücken im Tapelegeverfahren bekannt. Hierbei werden Kohlefasern in Form von imprägnierten Bändern (sogenannten „Tapes”) eingesetzt, die parallel zueinander auf einen Träger aufgebracht und auf diesem fixiert und zu einem Werkstück abgekühlt werden.Alternatively, for example, in the DE 10 2012 102 407 A1 a method for creating workpieces in Tapelegeverfahren known. Here, carbon fibers in the form of impregnated tapes (so-called "tapes") are used, which are applied parallel to each other on a support and fixed on this and cooled to a workpiece.

Die Verwendung dieser Tapes birgt die Schwierigkeit, dass diese durch Zuschnitt auf eine streng definierte Breite hergestellt werden, um eine zuverlässige und präzise Verarbeitung mit den bekannten Legevorrichtungen sicherstellen zu können. Dies bedeutet jedoch, dass sie einen starren, rechteckigen Querschnitt aufweisen und daher ausschließlich in einer definierten Längsrichtung auf dem Träger aufgebracht werden können. Räumliche Richtungsänderungen oder Umlenkungen der Bänder müssen vermieden werden, da ansonsten Fehlerstellen, insbesondere durch Faltenbildung, entstehen, die Schwachstellen des späteren Bauteils definieren würden. Aufgrund dieser Einschränkungen lassen sich mit den bekannten Tapes nur schwer komplexe dreidimensionale Geometrien realisieren.The use of these tapes involves the difficulty that they are made by cutting to a strictly defined width in order to ensure reliable and precise processing with the known laying devices. However, this means that they have a rigid, rectangular cross-section and therefore can be applied only in a defined longitudinal direction on the carrier. Spatial directional changes or deflections of the bands must be avoided, otherwise flaws, in particular by wrinkling, arise, which would define weak points of the later component. Due to these limitations, it is difficult to realize complex three-dimensional geometries with the known tapes.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren bereitzustellen, welches eine einfache und kostengünstige Herstellung von Faserverbundbauteilen ermöglicht und zudem eine hohe Prozessgeschwindigkeit erlaubt sowie für komplexe dreidimensionale Bauteil-Geometrien einsetzbar ist.The object of the invention is therefore to provide a method which allows a simple and cost-effective production of fiber composite components and also allows a high process speed and can be used for complex three-dimensional component geometries.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous further developments emerge from the dependent claims.

Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit mindestens den folgenden Schritten vorgeschlagen:

  • – Bereitstellen von Faserrovings, welche mit einer Matrix imprägniert sind,
  • – Ablegen der imprägnierten Faserrovings auf einem Träger mittels einer Legevorrichtung entlang vordefinierter Raumkurven, und
  • – Fixieren der imprägnierten Faserrovings an dem Träger zum Erzeugen eines Faserhalbzeugs,
  • – Pressen und/oder Härten des erzeugten Faserhalbzeugs zu dem Faserverbundbauteil.
Accordingly, a method for producing a fiber composite component is proposed with at least the following steps:
  • Providing fiber rovings which are impregnated with a matrix,
  • Depositing the impregnated fiber rovings on a carrier by means of a laying device along predefined space curves, and
  • Fixing the impregnated fiber rovings to the carrier to produce a semifinished fiber product,
  • - Pressing and / or curing of the semi-finished fiber produced to the fiber composite component.

Es werden also die Faserrovings bereits in einem imprägnierten Zustand zur Weiterverarbeitung bereitgestellt. Dies ermöglicht die Sicherstellung einer besonders intensiven und zuverlässigen Imprägnierung der Faserrovings, auch für Faserrovings mit großer Dicke (> 50 k). Auf diese Weise kann eine spätere Imprägnierung des gesamten Faserhalbzeugs vermieden werden, so dass die Matrix nicht über fehleranfällige Fließprozesse in das spätere Faserhalbzeug eingebracht werden muss. Als Matrix können entweder thermoplastische oder durplastische Kunststoffe eingesetzt werden.Thus, the fiber rovings are already provided in an impregnated state for further processing. This makes it possible to ensure a particularly intensive and reliable impregnation of the fiber rovings, even for fiber rovings with a large thickness (> 50 k). In this way, a subsequent impregnation of the entire semifinished fiber product can be avoided, so that the matrix does not have to be introduced via error-prone flow processes in the subsequent semifinished fiber product. As a matrix either thermoplastic or duroplastic plastics can be used.

Beispielsweise kann der Träger eine Werkzeugform oder ein flächiges Trägermaterial sein, auf deren Oberfläche die Faserrovings abgelegt werden. Als Werkzeugform kommen zum Beispiel Werkzeugformen des späteren Press- und/oder Aushärtewerkzeugs in Betracht. Beispiele für Trägermaterialen sind insbesondere Gelege, Gewebe, Geflechte oder Gewirke aus Metall-, Kunststoff-, Kohle-, Glas-, Aramid- und/oder Naturfasern. Das Trägermaterial kann alternativ eine Metall- oder Kunststofffolie umfassen. Der Träger kann, je nach Ausgestaltung, eine komplexe zwei- oder dreidimensionale Oberflächenkontur aufweisen.For example, the carrier can be a tool mold or a flat carrier material, on the surface of which the fiber rovings are deposited. As a tool shape, for example, molds of the subsequent pressing and / or curing tool come into consideration. Examples of carrier materials are in particular scrims, fabrics, braids or knitted fabrics of metal, plastic, carbon, glass, aramid and / or natural fibers. The carrier material may alternatively comprise a metal or plastic film. The carrier may, depending on the configuration, have a complex two- or three-dimensional surface contour.

Vorzugsweise liegt die Matrix der imprägnierten Faserrovings zumindest für den Schritt des Ablegens in einem zähflüssigen Zustand vor, in welchem die Matrix eine ausreichende Haftneigung beziehungsweise Klebrigkeit aufweist, um die imprägnierten Faserrovings stoffschlüssig anhaftend an dem Träger zu fixieren.Preferably, the matrix of impregnated fiber rovings, at least for the depositing step, is in a viscous state in which the matrix has sufficient stickiness to tackle impregnated Faserrovings firmly adhering to the carrier to fix.

Im zähflüssigen Zustand weist die Matrix also eine Klebeeigenschaft auf, die dazu genutzt werden kann, die imprägnierten Faserrovings unmittelbar auf den Träger aufzubringen und dort „anzukleben”. Die Faserrovings haften selbständig an dem Träger, so dass auf sonstige zusätzliche Fixierschritte, wie Annähen, Sticken oder einen Binderauftrag, verzichtet werden kann. Eine entsprechende Taktzeit kann auf diese Weise gegenüber den bekannten binder-basierten Verfahren deutlich reduziert werden.In the viscous state, the matrix thus has an adhesive property which can be used to apply the impregnated fiber rovings directly to the carrier and "stick" there. The fiber rovings adhere independently to the carrier, so that it is possible to dispense with other additional fixing steps, such as sewing, embroidering or a binder application. A corresponding cycle time can be significantly reduced in this way compared to the known binder-based method.

Vorzugsweise umfasst jeder imprägnierte Faserroving eine Anzahl an Filamenten, wobei der zähflüssige Zustand der Matrix derart ausgestaltet ist, dass eine Relativbewegung der Filamente zueinander möglich ist.Preferably, each impregnated fiber roving comprises a number of filaments, wherein the viscous state of the matrix is designed such that a relative movement of the filaments to each other is possible.

In dem zähflüssigen Zustand sind die einzelnen Filamente zwar in der Matrix eingebettet, diese ermöglicht jedoch aufgrund ihrer Zähflüssigkeit die Relativbewegung der Filamente zumindest in beschränktem Umfang zueinander, wenn der Faserroving räumlich umgelenkt wird. Insbesondere eine seitliche Verschiebbarkeit (bezogen auf die Erstreckungsrichtung der Faserrovings) kann mittels der zähflüssigen Matrix ermöglicht werden, sodass die Filamente nicht starr zueinander angeordnet sind. Stattdessen können sich die einzelnen Filamente einer Verformung beziehungsweise eine Umlenkung des Faserrovings anpassen und (seitlich) aneinander abgleiten, so dass eine Faltenbildung, wie im Falle der bekannten Tapes, besonders wirkungsvoll vermieden werden kann.In the viscous state, the individual filaments are indeed embedded in the matrix, but this allows due to their viscosity, the relative movement of the filaments to each other at least to a limited extent, when the Faserroving is spatially deflected. In particular, a lateral displaceability (based on the direction of extension of the fiber rovings) can be made possible by means of the viscous matrix, so that the filaments are not arranged rigidly to one another. Instead, the individual filaments can adapt to a deformation or a deflection of the fiber roving and (laterally) slide off each other, so that wrinkling, as in the case of the known tapes, can be particularly effectively avoided.

Des Weiteren kann der Schritt des Fixierens ein thermisches Fixieren, insbesondere mittels einer Wärmequelle oder einer Induktionsheizvorrichtung, und/oder ein Bestrahlen mit ultraviolettem Licht oder mit Elektronen umfassen. Dies bedeutet, dass die Faserrovings zumindest für den Schritt des Fixierens auf dem Träger zusätzlich behandelt werden, um ein Anhaften der imprägnierten Faserrovings zu verbessern, indem ein Aushärten der Matrix beschleunigt wird. Dies kann entweder lokal an einzelnen, definierten Stellen der Faserrovings oder entlang der gesamten Länge der Faserrovings erfolgen.Furthermore, the fixing step may comprise thermal fixing, in particular by means of a heat source or an induction heating device, and / or irradiation with ultraviolet light or with electrons. This means that the fiber rovings are additionally treated, at least for the step of fixing on the support, in order to improve the adhesion of the impregnated fiber rovings, by accelerating hardening of the matrix. This can be done either locally at individual, defined locations of the fiber rovings or along the entire length of the fiber rovings.

Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Schritt des Fixierens ein lokales oder flächiges Pressen der Faserrovings an den Träger umfassen. Auch auf diese Weise lässt sich ein Anhaften der imprägnierten Faserrovings an den Träger (weiter) verbessern.Alternatively or additionally, the step of fixing may comprise a local or area pressing of the fiber rovings to the carrier. Also in this way, adhesion of the impregnated fiber rovings to the carrier can be (further) improved.

Ferner kann der Schritt des Bereitstellens der Faserrovings ein Imprägnieren der Faserrovings umfassen, insbesondere mittels eines Tauchbades. Die Faserrovings können also zum Beispiel in trockenem Zustand transportiert und vor Ort bei der Zuführung zu der Legevorrichtung oder innerhalb der Legevorrichtung durch das Tauchbad oder eine andere Imprägniervorrichtung geführt und imprägniert werden.Furthermore, the step of providing the fiber rovings may comprise impregnating the fiber rovings, in particular by means of a dip bath. The fiber rovings can thus be transported, for example, in a dry state and guided and impregnated on site in the feed to the laying device or within the laying device through the dip or other impregnating device.

Vorzugsweise weisen die Faserrovings zumindest im Schritt des Ablegens einen im Wesentlichen runden Querschnitt, insbesondere einen kreisrunden oder ovalen Querschnitt, auf. Es kann damit eine besondere Flexibilität der Faserrovings in alle Richtungen erzielt werden, so dass im Gegensatz zu den bekannten Tapes mit starrem rechteckigen Querschnitt ein schnelles und automatisiertes Ablegen entlang der vordefinierten Raumkurve ermöglicht wird, insbesondere auch in Fällen mit starken räumlichen Umlenkungen der Faserrovings, wie beispielsweise bei komplexen dreidimensionalen Bauteil-Geometrien. Die Bereitstellung des gewünschten Querschnitts kann, falls Anpassungen erforderlich sind, beispielsweise durch entsprechende Blenden oder andere formgebende Vorrichtungen realisiert werden, durch welche die Rovings geführt werden.The fiber rovings preferably have a substantially round cross section, in particular a circular or oval cross section, at least in the step of depositing. It can thus be achieved in all directions a special flexibility of Faserrovings, so that in contrast to the known tapes with rigid rectangular cross-section, a fast and automated dropping along the predefined space curve is made possible, especially in cases with strong spatial deflections of the fiber rovings, such as For example, with complex three-dimensional component geometries. The provision of the desired cross-section, if adjustments are required, can be realized, for example, by means of corresponding apertures or other shaping devices through which the rovings are guided.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Figur anhand eines Flussdiagramms eines beispielhaften Verfahrensablaufs beschrieben.The invention will be described below with reference to the single figure with reference to a flow chart of an exemplary process flow.

Demnach umfasst das Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mindestens die folgenden Schritte:

  • a. Bereitstellen von Faserrovings, welche mit einer Matrix imprägniert sind,
  • b. Ablegen der imprägnierten Faserrovings auf einem Träger, wie beispielswiese einer Werkzeugform oder einem flächigen Trägermaterial, mittels einer Legevorrichtung entlang vordefinierter Raumkurven, und
  • c. Fixieren der imprägnierten Faserrovings an dem Träger zum Erzeugen eines Faserhalbzeugs,
  • d. Pressen und/oder Härten des erzeugten Faserhalbzeugs zu dem Faserverbundbauteil.
Accordingly, the method for producing a fiber composite component comprises at least the following steps:
  • a. Providing fiber rovings which are impregnated with a matrix,
  • b. Depositing the impregnated fiber rovings on a carrier, such as a tool mold or a flat carrier material, by means of a laying device along predefined space curves, and
  • c. Fixing the impregnated fiber rovings to the carrier to produce a semifinished fiber product,
  • d. Pressing and / or curing of the semi-finished fiber product produced to the fiber composite component.

Hierbei kann die Matrix der imprägnierten Faserrovings zumindest für den Schritt des Ablegens in einem zähflüssigen Zustand vorliegen, in welcher die Matrix eine ausreichende Klebrigkeit aufweist, um die imprägnierten Faserrovings stoffschlüssig anhaftend an dem Träger zu fixieren. Vorzugsweise umfasst jeder imprägnierte Faserroving eine Anzahl an Filamenten, wobei der zähflüssige Zustand der Matrix derart ausgestaltet ist, dass eine Relativbewegung der Filamente zueinander möglich ist.In this case, the matrix of the impregnated fiber rovings can be in a viscous state, at least for the depositing step, in which the matrix has sufficient tack to fix the impregnated fiber rovings in a materially adherent manner to the support. Preferably, each impregnated fiber roving comprises a number of filaments, wherein the viscous state of the matrix is designed such that a relative movement of the filaments to each other is possible.

Bevorzugt umfasst der Schritt c. des Fixierens ein thermisches Fixieren, insbesondere mittels einer Wärmequelle oder einer Induktionsheizvorrichtung, und/oder ein Bestrahlen mit Ultraviolettem Licht oder mit Elektronen.Preferably, step c. fixing a thermal fixing, in particular by means of a heat source or a Induction heater, and / or irradiation with ultraviolet light or with electrons.

Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt c. des Fixierens ein lokales oder flächiges Pressen der Faserrovings an den Träger umfassen.Alternatively or additionally, the step c. the fixing comprise a local or areal pressing of the fiber rovings to the carrier.

Optional kann der Schritt a. des Bereitstellens der Faserrovings ein Imprägnieren der Faserrovings umfassen, insbesondere mittels eines Tauchbades. Ebenfalls optional weisen die Faserrovings zumindest im Schritt a. des Ablegens einen im Wesentlichen runden Querschnitt, insbesondere kreisrunden oder ovalen Querschnitt, auf.Optionally, step a. the provision of the fiber rovings comprise impregnating the fiber rovings, in particular by means of a dip bath. Also optionally, the fiber rovings at least in step a. depositing a substantially round cross-section, in particular circular or oval cross-section, on.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (8)

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit mindestens den folgenden Schritten: – Bereitstellen von Faserrovings, welche mit einer Matrix imprägniert sind, – Ablegen der imprägnierten Faserrovings auf einem Träger mittels einer Legevorrichtung entlang vordefinierter Raumkurven, und – Fixieren der imprägnierten Faserrovings an dem Träger zum Erzeugen eines Faserhalbzeugs, – Pressen und/oder Härten des erzeugten Faserhalbzeugs zu dem Faserverbundbauteil.Method for producing a fiber composite component with at least the following steps: Providing fiber rovings which are impregnated with a matrix, Depositing the impregnated fiber rovings on a carrier by means of a laying device along predefined space curves, and Fixing the impregnated fiber rovings to the carrier to produce a semifinished fiber product, - Pressing and / or curing of the semi-finished fiber produced to the fiber composite component. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Träger eine Werkzeugform oder ein flächiges Trägermaterial ist.The method of claim 1, wherein the carrier is a tool mold or a sheet carrier material. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Matrix der imprägnierten Faserrovings zumindest für den Schritt des Ablegens in einem zähflüssigen Zustand vorliegt, in welchem die Matrix eine ausreichende Klebrigkeit aufweist, um die imprägnierten Faserrovings stoffschlüssig anhaftend an dem Träger zu fixieren.A method according to any one of claims 1 or 2, wherein the matrix of impregnated fiber rovings, at least for the depositing step, is in a viscous state in which the matrix has sufficient tack to firmly bond the impregnated fiber roving to the support. Verfahren nach Anspruch 3, wobei jeder imprägnierte Faserroving eine Anzahl an Filamenten umfasst, und der zähflüssige Zustand der Matrix derart ausgestaltet ist, dass eine Relativbewegung der Filamente zueinander möglich ist.The method of claim 3, wherein each impregnated fiber roving comprises a number of filaments, and the viscous state of the matrix is configured such that relative movement of the filaments to each other is possible. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Fixierens ein thermisches Fixieren, insbesondere mittels einer Wärmequelle oder einer Induktionsheizvorrichtung, und/oder ein Bestrahlen mit Ultraviolettem Licht oder mit Elektronen umfasst.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the fixing step comprises a thermal fixing, in particular by means of a heat source or an induction heating device, and / or an irradiation with ultraviolet light or with electrons. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Fixierens ein lokales oder flächiges Pressen der Faserrovings an den Träger umfasst.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the step of fixing comprises a local or area pressing of the fiber rovings to the carrier. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Bereitstellens der Faserrovings ein Imprägnieren der Faserrovings umfasst, insbesondere mittels eines Tauchbades.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the step of providing the fiber rovings comprises impregnating the fiber rovings, in particular by means of a dip bath. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Faserrovings zumindest im Schritt des Ablegens einen im Wesentlichen runden Querschnitt, insbesondere kreisrunden oder ovalen Querschnitt, aufweisen.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the fiber rovings at least in the step of depositing a substantially circular cross-section, in particular circular or oval cross-section.
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