DE102016122570A1 - Process for producing cylindrical bodies from fiber-reinforced semifinished products - Google Patents
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- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
- B29C70/32—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core on a rotating mould, former or core
-
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- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/06—Fibrous reinforcements only
- B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
- B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
- B29C70/22—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in at least two directions forming a two dimensional structure
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen Körpern aus einem faserverstärkten Halbzeug mit mindestens zwei sich überkreuzend angeordneten Faserschichten, wobei von einer Halbzeugrolle (1, 10) vorgefertigtes und mit Matrixmaterial benetztes und/oder benetzbares Halbzeug ab- und unter Veränderung des Faserwinkels in der bzw. den Faserschichten durch Dehnen und/oder Stauchen auf einen Wickelkern (2, 11) aufwickelbar ist. Vorzugsweise ist dabei der Wickelkern (2, 11) mit Differenzdrehzahl zur Halbzeugrolle (1, 10) antreibbar.The invention relates to a method for producing preferably substantially cylindrical bodies from a fiber-reinforced semi-finished product with at least two fiber layers arranged in a cross-section, from a semi-finished roll (1, 10) prefabricated and wetted with matrix material and / or wettable semi-finished and changing the Fiber angle in the fiber or the layers by stretching and / or upsetting on a winding core (2, 11) can be wound. Preferably, the winding core (2, 11) with differential rotational speed to the semifinished product roll (1, 10) can be driven.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen Körpern aus einem faserverstärkten Halbzeug mit mindestens zwei sich überkreuzend oder gekreuzten angeordneten Faserschichten.The invention relates to a method for producing preferably substantially cylindrical bodies made of a fiber-reinforced semifinished product with at least two arranged crosswise or crossed fiber layers.
Mit Fasern zum Beispiel aus Glas, Aramid oder Kohlenstoff verstärkte duroplastische (Polyester, Vinylester, Epoxid) als auch thermoplastische Kunststoffe (Polymere) haben gegenüber metallischen Bauteilen in vielen Anwendungsbereichen hinsichtlich ihrer gewichtsbezogenen Festigkeit und Steifigkeit erhebliche Vorteile. Sie finden deshalb auch insbesondere im Kraftfahrzeugbau verstärkte Einsatzmöglichkeiten. Allerdings ist ihre Herstellung aufwändig und in den wenigsten Fällen automatisiert durchführbar. Außerdem ist ihre Trag- bzw. Belastungsfähigkeit sehr stark davon abhängig, wie die Fasern im Kunststoffverbund angeordnet sind.With fibers, for example glass, aramid or carbon reinforced thermosetting (polyester, vinyl ester, epoxy) as well as thermoplastics (polymers) have significant advantages over metallic components in many applications in terms of their weight-related strength and rigidity. Therefore, they also find particular application in motor vehicle reinforced applications. However, their production is complex and feasible in most cases automated. In addition, their load capacity is very much dependent on how the fibers are arranged in the plastic composite.
Zylindrische oder rotationssymmetrische Körper werden üblicherweise durch die Ablage von faserverstärktem Halbzeug auf Wickelkernen erzeugt. Dabei kommen unterschiedliche Wickelverfahren, wie Trockenwickeln, Nasswickeln oder das sogenannte Prepreg-Wickeln in Frage.Cylindrical or rotationally symmetrical bodies are usually produced by the storage of fiber-reinforced semifinished products on winding cores. In this case, different winding methods, such as dry winding, wet winding or so-called prepreg winding come into question.
Aus der
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen Körpern aus einem faserverstärkten Halbzeug anzubieten, das weitgehend vollautomatisiert und kontinuierlich und damit kostengünstig abläuft und bei dessen Anwendung gleichzeitig der hinsichtlich der Belastung erforderliche Faserverlauf (insbesondere der Faserwinkel in Bezug auf das Matrixmaterial) einstellbar ist.The invention is based on the object to provide a method for producing preferably substantially cylindrical bodies of a fiber-reinforced semi-finished, which runs largely fully automated and continuous and thus cost and at the same time the required in terms of load fiber profile (in particular the fiber angle with respect on the matrix material) is adjustable.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass das vorgefertigte und mit Matrixmaterial benetzte und/oder benetzbare Halbzeug von einer Halbzeugrolle ab- und unter Veränderung des Faserwinkels in der oder den Faserschichten durch Dehnen und/oder Stauchen auf einem Wickelkern aufwickelbar ist.The invention solves this problem in that the prefabricated and wetted with matrix material and / or wettable semifinished from a semi-finished roll off and under changing the fiber angle in the fiber or layers by stretching and / or upsetting on a winding core is wound.
Ein besonders einfaches und damit bevorzugtes Verfahren nach der Erfindung wird darin gesehen, dass der Wickelkern mit Differenzdrehzahl zur Halbzeugrolle antreibbar ist. Ein Dehnen und/oder Stauchen kann aber alternativ auch dadurch erreicht werden, dass Halbzeugrolle und Wickelkern jeweils angetrieben und unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Denkbar ist es auch, ein Dehnen und/oder Stauchen mittels gegenläufig angetriebener, unter einem Winkel zur Abzugsrichtung des Halbzeugs und zu Wickelkern bzw. Halbzeugrolle angeordneter Walzenpaare zu bewirken.A particularly simple and therefore preferred method according to the invention is seen in that the winding core can be driven at a differential rotational speed to the semifinished product roll. However, stretching and / or compression can alternatively also be achieved in that the semifinished product roll and the winding core are each driven and arranged at an angle to one another. It is also conceivable to effect a stretching and / or compression by means of counter-driven roller pairs arranged at an angle to the withdrawal direction of the semifinished product and to the winding core or semifinished product roll.
Ein Dehnen und/oder Stauchen ist alternativ auch dadurch erreichbar, dass im Wickelkern oder innerhalb einer zwischen Halbzeugrolle und Wickelkern anordenbaren Transportrolle in Achsrichtung verschiebare, in das Halbzeug eintauchende und dieses spreizende Nadelgreifer angeordnet sind. Die Axialverschiebung der Nadelgreifer kann zwangsgesteuert z.B. über in den sie aufnehmenden Rollen/Wickelkern eingebrachte Kulissenführungen bewirkt werden.An expansion and / or upsetting is alternatively also achievable in that in the winding core or within a transport roller which can be arranged between the semifinished product roll and the winding mandrel, displaceable needle grippers which dip into the semifinished product and are arranged in the axial direction are arranged in the axial direction. The axial displacement of the needle grippers can be forcibly controlled e.g. be effected in the receiving rollers / winding core introduced sliding guides.
Das Matrixmaterial kann auf die Halbzeugrolle zusammen mit dem Roving aufgewickelt, auf der Halbzeugrolle oder nach dem Abwickeln von der Halbzeugrolle und vor dem Aufwickeln auf den Wickelkern aufgebracht werden.The matrix material can be wound onto the semifinished roll together with the roving, applied to the semifinished roll or after unwinding from the semifinished roll and before winding onto the winding core.
Vorzugsweise wird der Winkelkern mit höherer Drehzahl als die Halbzeugrolle angetrieben. Dadurch wird das Fasermaterial der sich überkreuzend bzw. gekreuzt angeordneten Faserschichten gedehnt, was bei konstanter Differenzdrehzahl zu einem gleichbleibend größeren Faserwinkel und damit einer Vergrößerung des Ablagewinkels des auf dem Wickelkern aufgewickelten Materials führt.Preferably, the angle core is driven at a higher speed than the semi-finished roll. As a result, the fiber material of the crossed or crossed fiber layers is stretched, resulting in a constant differential speed to a consistently larger fiber angle and thus an increase in the filing angle of the wound on the winding core material.
Umgekehrt ist es denkbar, den Wickelkern mit geringerer Drehzahl als die Halbzeugrolle anzutreiben, wodurch sich ein kleinerer Faserwinkel bei den sich überkreuzenden bzw. gekreuzt angeordneten Faserschichten und damit eine Verkleinerung des Ablagewinkels in Wickelrichtung erzielen lässt.Conversely, it is conceivable to drive the winding core at a lower rotational speed than the semifinished product roll, as a result of which a smaller fiber angle can be achieved in the intersecting or crossed fiber layers and thus a reduction of the deposition angle in the winding direction.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das faserverstärkte Halbzeug aus mindestens zwei sich überkreuzend bzw. gekreuzt verlaufenden Faserschichten in einer Netzstruktur und/oder Gewebestruktur angeordnet ist.It is particularly advantageous if the fiber-reinforced semi-finished product consists of at least two crossed or crossed ones Fiber layers in a network structure and / or fabric structure is arranged.
Der Wickelprozess kann wahlweise mit kontinuierlicher Differenzdrehzahl ablaufen, wodurch sich ein gleichmäßiger und homogener Aufbau der Verstärkungsfasern im zylindrischen Körper ergibt. Alternativ kann der Wickelprozess mit unterschiedlicher und ggfs. auch mit unterschiedlich variierbarer Differenzdrehzahl zur Erzeugung unterschiedlicher Dicke bzw. Dichte und unterschiedlicher Winkelanordnung der Fasern ablaufen. Gegebenenfalls können Prozessphasen eingestreut werden, bei denen die Differenzdrehzahl von Halbzeugrolle zu Wickelkern = 0 ist, so dass keine oder nur eine unwesentliche Faserwinkelveränderung stattfindet.The winding process can optionally take place at a continuous differential speed, resulting in a uniform and homogeneous structure of the reinforcing fibers in the cylindrical body. Alternatively, the winding process can take place with different and possibly also with differently variable differential speed for producing different thickness or density and different angular arrangement of the fibers. Optionally, process phases can be interspersed, in which the differential rotational speed of semifinished product roll to winding core = 0, so that no or only a negligible fiber angle change takes place.
Um eine möglichst innige Verbindung/Verschmelzung zwischen Roving und Kunststoff-Matrixmaterial herzustellen, kann das erfinderische Verfahren temperaturbeaufschlagt entlang der Ab- bzw. Aufwickelstrecke ablaufen. Denkbar ist es aber auch, das Matrixmaterial erst beim und/oder nach dem Aufwickeln auf dem Wickelkern zu erhitzen.In order to produce as intimate a connection / fusion as possible between the roving and the plastic matrix material, the inventive method can take place under the influence of temperature along the take-off or winding-up path. It is also conceivable, however, to heat the matrix material only during and / or after winding on the winding core.
Das Verfahren nach der Erfindung kann vorzugsweise zur Herstellung von zylindrischen Körpern, z.B. von Wellen o.ä. zur Verwendung in Kraftfahrzeugen angewendet werden. Vorzugsweise wird das Verfahren zur Herstellung von Kardanwellen oder Antriebswellen für Kraftfahrzeuge angewendet.The process according to the invention may preferably be used to produce cylindrical bodies, e.g. of waves or similar be applied for use in motor vehicles. Preferably, the method is used for the production of cardan shafts or drive shafts for motor vehicles.
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten des Verfahrens nach der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand von schematischen Darstellungen dazu in der Zeichnung. Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt, und die anhand der Zeichnung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung verwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.Advantages, features and details of the method according to the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and with reference to schematic representations thereto in the drawing. The described features and feature combinations, as shown below in the figures of the drawing, and described with reference to the drawing features and feature combinations are not only in the combination, but also in other combinations or in isolation, without affecting the scope of the Is left invention.
Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfinderischen Verfahrens; -
2 den Faserverlauf beim faserverstärkten Halbzeug auf der Halbzeugrolle nach der Erfindung; -
3 den Faserverlauf beim faserverstärkten Halbzeug nach dem Aufwickeln auf den Wickelkern; -
4 schematisch eine alternative Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung; -
5 den Faserverlauf beim faserverstärkten Halbzeug auf der Halbzeugrolle nach der Erfindung in der Ausführung nach4 ; -
6 den Faserverlauf beim faserverstärkten Halbzeug nach dem Aufwickeln auf den Wickelkern in der Ausführung nach4 und -
7 -10 schematisch weitere alternative Ausführungsformen zum Gegenstand des Verfahrens nach der Erfindung.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of the inventive method; -
2 the fiber profile of the fiber-reinforced semifinished product on the semi-finished roll according to the invention; -
3 the fiber flow in the fiber-reinforced semifinished product after winding on the winding core; -
4 schematically an alternative embodiment of the method according to the invention; -
5 the fiber profile of the fiber-reinforced semi-finished on the semi-finished roll according to the invention in the embodiment according to4 ; -
6 the fiber profile of the fiber-reinforced semifinished product after winding on the winding core in the execution4 and -
7 -10 schematically further alternative embodiments of the subject of the method according to the invention.
In
Dieser Roving in Gitter- bzw. Netz-Struktur kann bereits mit einem Matrixmaterial, in das die Fasern einzubetten sind, benetzt sein. Als Matrixmaterial kommen duro- oder thermoplastische Kunststoffe, insbesondere Polyamide, Polypropylene oder Polyethylene in Frage.This roving in grid or net structure can already be wetted with a matrix material into which the fibers are to be embedded. Suitable matrix materials are duroplastic or thermoplastic plastics, in particular polyamides, polypropylenes or polyethylenes.
Denkbar ist aber auch, dass das Matrixmaterial erst nach dem Abwickeln des Rovings von der Halbzeugrolle
Abgewickelt wird der Roving von der Halbzeugrolle
In
Im Unterschied zum Verfahrensbeispiel nach
Zusätzlich bzw. alternativ zu einer höheren bzw. geringeren Geschwindigkeit des Wickelkerns
In den
Für den Fachmann versteht es sich ausgehend von diesen Ausführungsalternativen von selbst, dass weitere konstruktive Lösungen zur Durchführung des Verfahrens denkbar sind. So könnte z.B. auch durch Fassung des Materials während des Transports an den Seitenrändern ein Dehnen oder auch Stauchen herbeigeführt werden.For those skilled in the art, it is self-evident on the basis of these alternative embodiments that further constructive solutions for carrying out the method are conceivable. So could e.g. Also be brought about by version of the material during transport to the side edges of a stretching or upsetting.
Um eine möglichst innige Verbindung/Verschmelzung zwischen Roving und Kunststoff-Matrixmaterial herzustellen, kann das erfinderische Verfahren temperaturbeaufschlagt entlang der Ab- bzw. Aufwickelstrecke durch die Anordnung von Heizelementen ablaufen. Alternativ kann das Matrixmaterial nach und/oder beim Aufwickeln auf dem Wickelkern temperaturbeaufschlagt werden.In order to produce the most intimate connection / fusion between the roving and the plastic matrix material, the inventive method can be temperature-induced along the unwinding or winding-up path through the arrangement of heating elements. Alternatively, the matrix material can be subjected to temperature after and / or during winding on the winding core.
Das erfinderische Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Damit sind erhebliche Einsparungen und ein deutlicher Zeitgewinn gegenüber bekannten Verfahren erzielbar. Durch die Variationsmöglichkeiten in der Faseranordnung (Faserwinkel) und über die Beeinflussung der Matrixmaterialdichte können die Eigenschaften des Endprodukts in weiten Bereichen variiert werden.The inventive method can be carried out continuously. This is significant Savings and a significant time savings over known methods can be achieved. Due to the variations in the fiber arrangement (fiber angle) and the influence on the matrix material density, the properties of the final product can be varied within wide limits.
Ganz besonders bietet sich das vorstehend beschriebene Verfahren bzw. seine Ausführungsmöglichkeiten für die Herstellung von Wellen im Kraftfahrzeugbau an. Insbesondere kommt die Herstellung von Kardanwellen oder Antriebswellen in Betracht. Bei der kontinuierlichen Herstellung einer Welle aus einem Faser-Halbzeug, das mit einer Netzstruktur mit konstantem Faserwinkel aufgebaut ist, kann auf die Eigenschaften des Endprodukts gezielt Einfluss genommen werden.The process described above or its design options for the production of shafts in motor vehicle construction are particularly suitable. In particular, the production of cardan shafts or drive shafts comes into consideration. In the continuous production of a shaft from a fiber semifinished product, which is constructed with a network structure with a constant fiber angle, the properties of the end product can be specifically influenced.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- HalbzeugrolleSemi-finished roll
- 1010
- Halbzeugrolle Semi-finished roll
- 22
- Wickelkernwinding core
- 1111
- Wickelkern winding core
- 20.1, 20.220.1, 20.2
- Rollenroll
- 21.1,21.221.1,21.2
- Rollenroll
- 22, 2322, 23
- Dehn- bzw. Stauch-RollenExpansion or compression rollers
- 2424
- Transportrolletransport roller
- 25.1 - 25.625.1 - 25.6
- Nadelgreiferneedle grippers
- 26.1 - 26.626.1 - 26.6
- Nadeln needles
- 30,3130.31
- Kulissenführunglink guide
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102006008728 B3 [0004]DE 102006008728 B3 [0004]
- US 7374127 B2 [0005]US 7374127 B2 [0005]
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-
2016
- 2016-11-23 DE DE102016122570.3A patent/DE102016122570A1/en active Pending
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