DE102016000703A1 - Method and device for producing a fiber-reinforced plastic composite profile with integrated load introduction elements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils (210) mit integrierten, als Lasteinleitungselemente dienenden Inserts (220), bei dem in einem kontinuierlichen Prozess aus einzelnen Fasern und/oder Rovings (200) ein Faserstrang (205) geformt und dann ausgehärtet wird, wobei die Inserts (220) vor dem Aushärten in den Faserstrang (205) eingesetzt und dann beim Aushärten in das Faserkunststoffverbundmaterial eingebettet werden. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung (100).The invention relates to a method for producing a fiber-plastic composite profile (210) with integrated inserts (220) serving as load introduction elements, in which a fiber strand (205) is formed in a continuous process from individual fibers and / or rovings (200) and then cured wherein the inserts (220) are inserted into the fiber strand (205) prior to curing and then embedded in the fibrous plastic composite during curing. The invention further relates to a device (100) suitable for carrying out this method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils (FKV-Profil) mit integrierten, als Lasteinleitungselemente dienenden Inserts.The invention relates to a method and an apparatus for producing a fiber-reinforced plastic composite profile (FKV profile) with integrated inserts serving as load introduction elements.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Faserkunststoffverbund-Bauteile mit sogenannten Inserts (Einlegeteilen), die als Lasteinleitungselemente dienen, auszustatten. Bei den Inserts handelt es sich zumeist um Metall-, Kunststoff- oder Keramikteile, die nachträglich, typischerweise jedoch bereits bei der Herstellung des betreffenden Faserkunststoffverbund-Bauteils in das Faserkunststoffverbundmaterial eingebettet werden, idealerweise ohne dabei die Fasern zu beschädigen. Bspw. können die Inserts in einem den Bauteilherstellungsprozess vorausgehenden Arbeitsschritt am Verstärkungstextil, Preformling oder dergleichen befestigt und/oder direkt in das Herstellungswerkzeug (Presswerkzeug) eingelegt werden. Zum Stand der Technik wird bspw. auf die
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensweisen sind für die Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils mit integrierten, als Lasteinleitungselemente dienenden Inserts nicht oder nur bedingt geeignet.The methods known from the prior art are not or only partially suitable for the production of a fiber-reinforced plastic composite profile with integrated inserts serving as load introduction elements.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Herstellung eines Faserkunststoffverbund-Profils mit integrierten, als Lasteinleitungselemente dienenden Inserts anzugeben.The invention has for its object to provide an economical way of producing a fiber-reinforced plastic composite profile with integrated, serving as a load introduction elements inserts.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.This object is achieved by a method according to the invention with the features of patent claim 1 and by a device according to the invention with the features of the independent patent claim. Preferred developments and refinements of the invention are analogous to both subject matters of the dependent claims, the following description and the figures.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass in einem kontinuierlichen, d. h. fortlaufenden Prozess aus einzelnen Fasern und/oder Rovings ein Faserstrang geformt und dann ausgehärtet wird, wobei die Inserts vor dem Aushärten in den Faserstrang eingesetzt und dann beim Aushärten in das Faserkunststoffverbundmaterial eingebettet werden.The inventive method provides that in a continuous, d. H. continuous process of individual fibers and / or rovings a fiber strand is formed and then cured, the inserts are used prior to curing in the fiber strand and then embedded in the cured fiber composite material during curing.
Das Formen des Faserstrangs erfolgt insbesondere durch werkzeuggestütztes Zusammenführen und Ausrichten der Fasern und/oder Rovings (Faserbündel), wobei es sich um Endlosfasern bzw. Endlosrovings handelt. Als Fasern kommen insbesondere Kohlenstofffasern und Glasfasern in Betracht. Es können sowohl Voll- als auch Hohlprofile erzeugt werden. Die Inserts können zur vorgesehenen Krafteinleitung bspw. Bohrungen, Gewinde, Haken, Ösen und dergleichen aufweisen und identisch oder auch unterschiedlich ausgebildet sein. Die Inserts können so am Faserstrang positioniert werden, dass diese später aus dem Profil herausragen, wozu diese mit einem Fügeabschnitt ausgebildet sein können.The shaping of the fiber strand takes place in particular by tool-supported merging and aligning of the fibers and / or rovings (fiber bundles), which are endless fibers or endless rovings. As fibers, in particular carbon fibers and glass fibers come into consideration. Both solid and hollow profiles can be produced. The inserts may have, for example, bores, threads, hooks, eyes and the like for the intended introduction of force, and may be of identical or different design. The inserts can be positioned on the fiber strand so that they later protrude from the profile, what they can be formed with a joining section.
Die Erfindung sieht also vor, dass die als spätere Lasteinleitungselemente dienenden Inserts bereits während der kontinuierlichen, urformenden Herstellung des Profils in dieses bzw. in dessen Faserkunststoffverbundmaterial integriert werden. Eine nachträgliche Bearbeitung des Profils entfällt, so dass auch eine damit möglicherweise einhergehende Schwächung des Profils ausbleibt.The invention thus provides that the inserts serving as later load introduction elements are already integrated into this or its fiber plastic composite material during the continuous, original shaping of the profile. A subsequent processing of the profile is omitted, so that there is also a possibly resulting weakening of the profile.
Bei dem kontinuierlichen Herstellungsprozess handelt es sich bevorzugt um einen Pultrusionsprozess. Der Pultrusionsprozess ist ein kontinuierliches Herstellungsverfahren (auch als Pultrusionsverfahren oder Strangziehverfahren bezeichnet), für das aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahrensvarianten bekannt sind, wozu auf entsprechende Fachliteratur verwiesen wird.The continuous production process is preferably a pultrusion process. The pultrusion process is a continuous production process (also referred to as pultrusion process or pultrusion process) for which different process variants are known from the prior art, reference being made to corresponding technical literature.
Bevorzugt erfolgt das Setzen der Inserts mithilfe wenigstens einer Setzeinrichtung, wofür die im Faserstrang zusammengeführten Fasern und/oder Rovings zur Bildung einer Lücke durch eine der Setzeinrichtung vorgelagerte Spreizeinrichtung gespreizt bzw. aufgeteilt werden, um das beschädigungsfreie Setzen bzw. Einsetzen zu ermöglichen. Das Spreizen bzw. Aufteilen der Fasern und/oder Rovings erfolgt bevorzugt nur vorübergehend, bis das betreffende Insert eingesetzt ist.The inserts are preferably set by means of at least one setting device, for which purpose the fibers and / or rovings gathered in the fiber strand are spread or divided to form a gap by a spreading device arranged upstream of the setting device, in order to enable damage-free setting or insertion. The spreading or splitting of the fibers and / or rovings is preferably carried out only temporarily until the insert in question is used.
Die Fasern und/oder Rovings können mit einem Harzmaterial vorimprägniert sein. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Fasern und/oder Rovings während des Herstellprozesses und zwar vor dem Setzen der Inserts mit Harz (duroplastischer Matrix) imprägniert werden. Die Imprägnierung findet bspw. in einem Harzbad statt, durch welches die trockenen Fasern bzw. Rovings gezogen werden. Die Inserts werden also in einen nassen Faserstrang eingesetzt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Fasern und/oder Rovings erst nach dem Setzen der Inserts imprägniert werden, wozu der Faserstrang einschließlich der darin gehaltenen Inserts bspw. ein Harzbad durchläuft. Bei dieser Variante werden die Inserts also in einen trockenen Faserstrang eingesetzt.The fibers and / or rovings may be preimpregnated with a resin material. However, it is preferably provided that the fibers and / or rovings are impregnated with resin (thermosetting matrix) during the production process and before the setting of the inserts. The impregnation takes place, for example, in a resin bath, through which the dry fibers or rovings are drawn. The inserts are thus inserted into a wet fiber strand. Likewise, it can be provided that the fibers and / or rovings are impregnated only after setting the inserts, for which purpose the fiber strand, including the inserts held therein, for example, passes through a resin bath. In this variant, the inserts are thus used in a dry fiber strand.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren, vor allem auch das Spreizen der Fasern und/oder Rovings und Setzen der Inserts, automatisiert und insbesondere vollautomatisiert ausgeführt.Preferably, the method according to the invention, in particular also the spreading of the fibers and / or rovings and setting of the inserts, is carried out automatically and in particular fully automatically.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:
- – eine Formgebungseinrichtung, die in einem kontinuierlichen Prozess aus einzelnen Fasern und/oder Rovings (durch Zusammenführen und Ausrichten dieser Fasern) einen Faserstrang formen kann;
- – eine Heizeinrichtung, mit welcher der zuvor geformte Faserstrang ausgehärtet werden kann;
- – wenigstens eine in Ziehrichtung der Heizeinrichtung vorgelagerte Setzeinrichtung, zum Einsetzen der Inserts in den Faserstrang;
- – wenigstens eine in Ziehrichtung der Setzeinrichtung vorgelagerte Spreizeinrichtung, mit der die im Faserstrang bereits zusammengeführten Fasern und/oder Rovings zum Setzen der Inserts, zumindest vorübergehend, gespreizt bzw. auseinander gedrückt werden können.
- A shaping device capable of forming a fiber strand in a continuous process of individual fibers and / or rovings (by merging and orienting these fibers);
- - A heater with which the previously formed fiber strand can be cured;
- - At least one upstream in the drawing direction of the heater setting means for inserting the inserts in the fiber strand;
- - At least one in the drawing direction of the setting means upstream spreader, with which the already merged in the fiber strand fibers and / or rovings for setting the inserts, at least temporarily, spread or can be pushed apart.
Die Formgebungseinrichtung ist insbesondere als Formgebungswerkzeug ausgebildet. Die Heizeinrichtung kann im Formgebungswerkzeug angeordnet sein. Ebenso kann die Heizeinrichtung in einem dem Formgebungswerkzeug in Ziehrichtung nachfolgenden Härtungswerkzeug angeordnet sein. Die Setzeinrichtung und/oder die Spreizeinrichtung können im Formgebungswerkzeug und/oder zwischen der Formgebungseinrichtung bzw. dem Formgebungswerkzeug und der Heizeinrichtung bzw. dem Härtungswerkzeug angeordnet sein.The shaping device is designed in particular as a shaping tool. The heater may be arranged in the forming tool. Likewise, the heating device may be arranged in a curing tool following the forming tool in the drawing direction. The setting device and / or the spreading device can be arranged in the shaping tool and / or between the shaping device or the shaping tool and the heating device or the curing tool.
Bevorzugt arbeitet die Spreizeinrichtung zeit- oder weggesteuert, worunter verstanden wird, dass sich diese nicht permanent, sondern nur zeitweise im Fasereingriff befindet, wobei dann die Fasern bzw. Rovings aufgespreizt bzw. auseinandergedrückt werden und eine Lücke zum Einsetzen eines Inserts gebildet wird. Nach dem Setzen bzw. Einsetzen wird der Fasereingriff beendet, so dass die Fasern bzw. Rovings wieder zusammenlaufen und das eingesetzte Insert bis zur Aushärtung des Faserstrangs festhalten. Die Spreizeinrichtung kann bspw. einen Linearschieber mit wenigstens einem daran angeordneten Spreizelement, insbesondere einen Dorn oder dergleichen, aufweisen. Die Spreizeinrichtung kann aber bspw. auch einen Drehschieber mit wenigstens einem daran angeordneten Spreizelement, insbesondere Dorn, aufweisen. Bevorzugt ist dieser Drehschieber als umlaufender Drehschieber ausgebildet, wie nachfolgend noch näher erläutert.Preferably, the spreader operates time or path controlled, which is understood that this is not permanently, but only temporarily in the fiber engagement, in which case the fibers or rovings are spread apart or pressed apart and a gap for inserting an insert is formed. After setting or insertion of the fiber engagement is terminated, so that the fibers or rovings converge again and hold the inserted insert until the curing of the fiber strand. The spreading device may, for example, a linear slide with at least one spreading element arranged thereon, in particular a mandrel or the like. However, the spreader may, for example, a rotary valve with at least one spreading element arranged thereon, in particular mandrel having. Preferably, this rotary valve is designed as a rotating rotary valve, as explained in more detail below.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Faserzuführungseinrichtung (bspw. mit einem Faserregal bzw. einer Stelllage für Faserspindeln und Faserführungen), eine Imprägniereinrichtung (bspw. ein Harzbad), eine Zieheinrichtung (bspw. ein Walzen- oder Raupenabzug) und/oder eine Ablängeinrichtung (bspw. eine Säge) umfassen.The device according to the invention may further comprise a fiber supply device (eg with a fiber shelf or a positioner for fiber spindles and fiber guides), an impregnation device (for example a resin bath), a drawing device (for example a roller or caterpillar take-off) and / or a lengthening device (eg a saw).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner auch eine Insertzuführungseinrichtung für die Zuführung der zu setzenden Inserts zur Setzeinrichtung umfassen. Eine solche Einrichtung kann bspw. ein Magazin für die Inserts, eine Vereinzelungsapparatur, Zuführungsleitungen, Übergabestellen und dergleichen aufweisen.The device according to the invention can also include an insert feed device for feeding the inserts to be set to the setting device. Such a device may, for example, have a magazine for the inserts, a separating device, supply lines, transfer points and the like.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehört bevorzugt auch einer Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die erfindungsgemäße Vorrichtung automatisiert und insbesondere vollautomatisiert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben zu können.The device according to the invention is suitable for carrying out the method according to the invention. To the device according to the invention preferably also includes a control device which is adapted to be able to operate the device according to the invention automatically and in particular fully automated according to the inventive method.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.The invention will be explained in more detail by way of example and not by way of limitation with reference to the schematic figures. The features shown in the figures and / or explained below may, even independently of specific combinations of features, be general features of the invention and further develop the invention.
Die Vorrichtung
Die Vorrichtung
Die Spreizeinrichtung
Die Setzeinrichtung
Nach dem gleichen Prinzip können, bei entsprechender Ausgestaltung der Spreiz- und der Setzeinrichtung
Abweichend zu der in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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