DE102016209702A1 - Method and device for producing a structural component and structural component - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines in einem vordefinierten Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils (1) mit den Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines Grundhohlbauteils (2) mit einer Bauteilwand (3), mindestens eine von der Bauteilwand (3) umgebene innere Kavität (4) sowie mindestens eine die Bauteilwand (3) von außen bis zur Kavität (4) durchdringende Zugangsöffnung (5), – Einbringen eines fließfähigen Schaummaterials in die Kavität über die mindestens eine Zugangsöffnung (5), wobei das Schaummaterial ausgebildet ist, in einer exothermen Reaktion zu einem druckstabilen und/oder energieabsorbierenden, festen Schaum (6) zu reagieren, – Verteilen des Schaummaterials zumindest innerhalb des Verstärkungsbereichs der Kavität (4), – Aufschäumen des Schaummaterials zu einem festen Schaum (6) derart, dass der Schaum (6) zumindest in dem Verstärkungsbereich des Grundhohlbauteils (2) die Kavität (4) vollständig ausfüllt sowie im Verstärkungsbereich die Bauteilwand (3) durchgängig flächig kontaktiert, und – Überwachen einer Erwärmung der Bauteilwand (3) über den Verstärkungsbereich mittels einer Wärmedetektionsvorrichtung (14). Ferner betrifft die Erfindung ein Strukturbauteil (1) sowie eine Vorrichtung (10) zur Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils (1).The present invention relates to a method for producing a load-optimized structural component (1) in a predefined reinforcement region with the method steps: providing a hollow component (2) with a component wall (3), at least one inner cavity (4) surrounded by the component wall (3) and at least one access opening (5) penetrating the component wall (3) from outside to the cavity (4), introducing a flowable foam material into the cavity via the at least one access opening (5), wherein the foam material is formed, in an exothermic reaction reacting a pressure-stable and / or energy-absorbing, solid foam (6), distributing the foam material at least within the reinforcement region of the cavity (4), foaming the foam material into a solid foam (6) such that the foam (6) is at least in the reinforcing region of the hollow component (2), the cavity (4) completely fills as well as in the reinforcing region, the component wall (3) continuously contacted surface, and - monitoring heating of the component wall (3) via the reinforcing region by means of a heat detection device (14). Furthermore, the invention relates to a structural component (1) and to a device (10) for producing a structural component (1) which is optimized in terms of stress in a reinforcement region.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils, insbesondere eines Faserverbundstrukturbauteils. Ferner betrifft die Erfindung ein in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimiertes Strukturbauteil, insbesondere Faserverbundstrukturbauteil. The present invention relates to a method and a device for producing a load-optimized structural component in a reinforcement region, in particular a fiber composite structural component. Furthermore, the invention relates to a load-optimized in a gain range structural component, in particular fiber composite structural component.
In vielen Hochtechnologien, wie z.B. dem Flugzeugbau oder dem Automobilbau, sind Strukturbauteile als Verbundbauteile aus Verbundwerkstoffen ausgebildet, da Verbundbauteile vorteilhafte physikalische Eigenschaften der einzelnen Verbundwerkstoffe miteinander kombinieren. Verbundbauteile weisen beispielsweise einen Schaumkern auf, der zur Verbesserung einer Belastbarkeit, insbesondere einer mechanischen und/oder thermischen und/oder chemischen Belastbarkeit oder dergleichen, mit einer Decklage umgeben ist. Die Decklage kann beispielsweise ein Gelege oder Geflecht aus Fasern, wie z.B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern oder dergleichen, aufweisen, das mit einem aushärtbaren Matrixwerkstoff, wie z.B. einem Harz, imprägniert bzw. durchsetzt ist. Auf diese Weise ist beispielsweise ein besonders leichtes Strukturbauteil mit hoher mechanischer Festigkeit herstellbar. Die Funktion des Schaumkerns bei derartigen Strukturbauteilen ist im Wesentlichen die Reduzierung von Bauteilschwingungen, insbesondere durch Dämpfung aufgrund einer etwas nachgiebigen Schaumstruktur, und somit von Fahrgeräuschen zur Steigerung eines Fahrkomforts. In many high technologies, such as In aircraft construction or automotive engineering, structural components are formed as composite components made of composite materials, since composite components combine advantageous physical properties of the individual composite materials. Composite components have, for example, a foam core, which is surrounded by a cover layer to improve a load capacity, in particular a mechanical and / or thermal and / or chemical resistance or the like. For example, the topsheet may be a scrim or braid of fibers such as fibers. Glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or the like, coated with a curable matrix material, e.g. a resin, impregnated or interspersed. In this way, for example, a particularly lightweight structural component with high mechanical strength can be produced. The function of the foam core in such structural components is essentially the reduction of component vibrations, in particular by damping due to a somewhat resilient foam structure, and thus of driving noise to increase driving comfort.
Zur Erzeugung derartiger Verbundbauteile werden beispielsweise Strukturschäume verwendet, da diese eine relativ geringe Dichte sowie eine Formstabilität aufweisen. In vielen Anwendungsfällen sind die Strukturschäume daher als Hartschäume mit nur einer geringen, insbesondere mikroskopischen, Nachgiebigkeit ausgebildet. Der Strukturschaum kann z.B. mit einem Gelege oder Geflecht aus Fasern ummantelt werden, das mit dem Matrixwerkstoff beispielsweise durch ein Resin Transfer Molding Verfahren, das auch als RTM-Verfahren bezeichnet wird, imprägniert bzw. durchsetzt werden. Gemäß alternativen Verfahren zur Reduzierung von Bauteilschwingungen von dünnen Blechen ist es bekannt, Schaumwerkstoffkomponenten in Zwischenräume zwischen Bauteilen, insbesondere Blechen, einzuspritzen. Diese Verfahren werden insbesondere zur Reduzierung von Vibrationen bei dünnen Blechen angewendet. To produce such composite components, structural foams are used, for example, since they have a relatively low density and dimensional stability. In many applications, the structural foams are therefore designed as rigid foams with only a low, in particular microscopic, compliance. The structural foam may e.g. be coated with a scrim or braid of fibers, which are impregnated or interspersed with the matrix material, for example by a Resin Transfer Molding process, which is also referred to as RTM process. According to alternative methods for reducing component vibrations of thin sheets, it is known to inject foam material components into intermediate spaces between components, in particular sheet metal. These methods are used in particular for reducing vibrations in thin sheets.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen mit Schaumkernen haben den Nachteil, dass diese eine sehr aufwendige Prozessführung aufweisen und daher sehr hohe Fertigungskosten verursachen. Ferner sind lediglich schwingungsdämpfende Strukturbauteile mittels dieser Verfahren erzeugbar. Strukturbauteile mit einer besonders verbesserten Energieabsorption bzw. Druckfestigkeit sind mit den bekannten Verfahren nicht herstellbar. Known methods for the production of structural components with foam cores have the disadvantage that they have a very complicated process control and therefore cause very high production costs. Furthermore, only vibration-damping structural components can be produced by means of these methods. Structural components with a particularly improved energy absorption or compressive strength can not be produced by the known methods.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Verfahren sowie einer Vorrichtung zur Herstellung eines Strukturbauteils, insbesondere eines Faserverbundstrukturbauteils, sowie bei einem Strukturbauteil, insbesondere einem Faserverbundstrukturbauteil, zu beheben bzw. zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Strukturbauteils zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise die Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils gewährleisten und somit eine Energieabsorptionsfähigkeit und/oder Druckfestigkeit bei einem Faserverbundstrukturbauteil verbessern. Ferner ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Strukturbauteil mit einer verbesserten Energieabsorptionsfähigkeit und/oder Druckfestigkeit bereitzustellen. It is therefore an object of the present invention to remedy the disadvantages described above in a method and an apparatus for producing a structural component, in particular a fiber composite structural component, and in a structural component, in particular a fiber composite structural component, or at least partially. In particular, it is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for producing a structural component, which ensure the production of a load-optimized structural component in a reinforcement region in a simple and inexpensive manner and thus improve an energy absorption capacity and / or pressure resistance in a fiber composite structural component , Furthermore, it is the object of the present invention to provide a structural component with an improved energy absorption capacity and / or pressure resistance.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. The above problem is solved by the claims. Accordingly, the object is achieved by a method for producing a load-optimized in a gain range structural component having the features of
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines in einem vordefinierten Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- – Bereitstellen eines Grundhohlbauteils mit einer Bauteilwand, mindestens eine von der Bauteilwand umgebene innere Kavität sowie mindestens eine die Bauteilwand von außen bis zur Kavität durchdringende Zugangsöffnung,
- – Einbringen eines fließfähigen Schaummaterials in die Kavität über die mindestens eine Zugangsöffnung, wobei das Schaummaterial ausgebildet ist, in einer exothermen Reaktion zu einem druckstabilen und/oder energieabsorbierenden, festen Schaum zu reagieren,
- – Verteilen des Schaummaterials zumindest innerhalb des Verstärkungsbereichs der Kavität,
- – Aufschäumen des Schaummaterials zu einem festen Schaum derart, dass der Schaum zumindest in dem Verstärkungsbereich des Grundhohlbauteils die Kavität vollständig ausfüllt sowie im Verstärkungsbereich die Bauteilwand durchgängig flächig kontaktiert, und
- – Überwachen einer Erwärmung der Bauteilwand über den Verstärkungsbereich mittels einer Wärmedetektionsvorrichtung.
- Providing a base hollow component with a component wall, at least one inner cavity surrounded by the component wall and at least one access opening penetrating the component wall from the outside to the cavity,
- - Introducing a flowable foam material in the cavity over the at least one Access port, wherein the foam material is adapted to react in an exothermic reaction to a pressure-stable and / or energy-absorbing, solid foam,
- Distributing the foam material at least within the reinforcement area of the cavity,
- Foaming the foam material into a solid foam such that the foam completely fills the cavity at least in the reinforcing region of the base hollow component and contacts the component wall in a continuous manner in the reinforcing region, and
- - Monitoring a heating of the component wall over the gain region by means of a heat detection device.
Das bereitgestellte Grundhohlbauteil kann beispielsweise aus mehreren Einzelstrukturen bestehen, die zum Grundhohlbauteil zusammengefügt sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass beim Zusammenfügen Einzelkavitäten der Einzelstrukturen zu der inneren Kavität des Grundhohlbauteils kombiniert werden. Alternativ kann das Grundhohlbauteil auch einteilig ausgebildet ist. Das Grundhohlbauteil weist mindestens eine Zugangsöffnung, vorzugsweise mehrere Zugangsöffnungen, auf, die die innere Kavität mit einer Umgebung des Grundhohlbauteils verbinden. Die Zugangsöffnungen sind vorzugsweise auf einer Seite des Grundhohlbauteils angeordnet, z.B. einer Seite, die vorzugsweise keine Sichtseite ist und vorzugsweise zum Einbringen des Schaummaterials nach oben weisend anordenbar ist, so dass das fließfähige Schaummaterial nicht leicht aus der Zugangsöffnung herausfließen kann. Etwaige weitere Öffnungen, durch die das fließfähige und/oder das aufschäumende Schaummaterial aus der Kavität des Grundhohlbauteils entweichen könnten, werden erfindungsgemäß vorzugsweise verschlossen bzw. abgedichtet. Das Grundbauteil kann beispielsweise schalenförmig ausgebildet sein, so dass beim Befüllen der Kavität eine Seite der Kavität auch offen sein kann, die zumindest durch keine durchgängige Bauteilwand begrenzt ist. Beim Bereitstellen wird das Grundhohlbauteil vorzugsweise lagefixiert, so dass eine Lage der mindestens einen Zugangsöffnung fixiert ist. Unter einer Lage wird erfindungsgemäß eine Position und eine Ausrichtung verstanden. Die Kavität weist im Verstärkungsbereich eine IST-Form auf, die einer SOLL-Form des aufgeschäumten Schaummaterials entspricht. Es kann erfindungsgemäß auch ein Bewegen des Grundhohlbauteils zum besseren Verteilen des fließfähigen Schaummaterials vorgesehen sein. Das Grundhohlbauteil bzw. die Bauteilwand kann beispielsweise Blech, Kunststoff oder dergleichen aufweisen. The basic hollow component provided can, for example, consist of a plurality of individual structures that are joined together to form the base hollow component. It can be provided that during assembly individual cavities of the individual structures are combined to form the inner cavity of the base hollow component. Alternatively, the basic hollow component is also formed in one piece. The base hollow component has at least one access opening, preferably a plurality of access openings, which connect the inner cavity to an environment of the base hollow component. The access openings are preferably arranged on one side of the base hollow member, e.g. a side, which is preferably not a visible side and is preferably arranged for introducing the foam material facing upwards, so that the flowable foam material can not easily flow out of the access opening. Any further openings through which the flowable and / or the foaming foam material could escape from the cavity of the base hollow component are preferably sealed or sealed according to the invention. The base member may be formed, for example, cup-shaped, so that when filling the cavity, one side of the cavity may also be open, which is at least limited by no continuous component wall. When providing the base hollow component is preferably fixed in position, so that a position of the at least one access opening is fixed. A layer according to the invention is understood to mean a position and an orientation. The cavity has an actual shape in the reinforcement region, which corresponds to a desired shape of the foamed foam material. It may be provided according to the invention also moving the Grundhohlbauteils for better distribution of the flowable foam material. The basic hollow component or the component wall may comprise, for example, sheet metal, plastic or the like.
Das herzustellende Strukturbauteil weist im Verstärkungsbereich einen Schaumkern aus einem druckstabilen und/oder energieabsorbierenden Schaum auf, der von einer Bauteilwand umgeben ist. Unter einem Verstärkungsbereich wird erfindungsgemäß ein Bereich des Strukturbauteils verstanden, der durch den Schaum belastungsoptimiert ausgebildet ist. Es kann daher erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass nur ein Teil des Strukturbauteils, nämlich der Verstärkungsbereich, derart ausgebildet ist und ein anderer Teil des Strukturbauteils eine hiervon verschiedene Ausbildung aufweist. The structural component to be produced has in the reinforcement region a foam core made of a pressure-stable and / or energy-absorbing foam, which is surrounded by a component wall. A reinforcing region is understood according to the invention to mean a region of the structural component which is designed to be optimized for the load by the foam. It may therefore be provided according to the invention that only a part of the structural component, namely the reinforcing region, is formed in this way and another part of the structural component has a different design.
Das Einbringen des fließfähigen Schaummaterials in die Kavität des Grundhohlbauteils erfolgt über die mindestens eine Zugangsöffnung, kann bei mehreren Zugangsöffnungen auch über mehrere, vorzugsweise sämtliche, Zugangsöffnungen erfolgen. Somit kann eine gleichmäßige Verteilung des Schaummaterials innerhalb der Kavität verbessert werden. Das Schaummaterial weist vorzugsweise Polyurethan (PU) oder dergleichen auf. Der mit dem Schaummaterial erzeugbare Schaum weist vorzugsweise eine relativ große Härte sowie Dichte auf. Vorzugsweise ist das Schaummaterial mit weiteren Inhaltsstoffen versehen, die beispielsweise eine Druckstabilität und/oder Energieabsorptionsfähigkeit des Schaums verbessern bzw. erhöhen. Ferner ist das Schaummaterial ausgebildet, in einer exothermen Reaktion zu dem Schaum aufzuschäumen. Das bedeutet, dass das Schaummaterial durch Aktivierung unter Wärmeabgabe aufschäumbar ist. Weiter bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der mit dem Schaummaterial erzeugbare Schaum zusätzlich vibrationsdämpfend und/oder schallisolierend ausgebildet ist. The introduction of the flowable foam material in the cavity of the base hollow member via the at least one access opening, can also be made at several access openings on several, preferably all, access openings. Thus, a uniform distribution of the foam material within the cavity can be improved. The foam material preferably comprises polyurethane (PU) or the like. The foam which can be produced with the foam material preferably has a relatively high hardness and density. Preferably, the foam material is provided with further ingredients which improve or increase, for example, a pressure stability and / or energy absorption capacity of the foam. Further, the foam material is configured to foam in an exothermic reaction to the foam. This means that the foam material can be foamed by activation with release of heat. Further preferably, it may be provided that the foam which can be produced with the foam material is additionally designed to damp vibration and / or sound-insulating.
Da der Schaum aufgrund der Poren üblicherweise ein größeres spezifisches Volumen bzw. eine geringere spezifische Dichte als das Schaummaterial aufweist, wird der Verstärkungsbereich der Kavität vorzugsweise nicht vollständig mit dem Schaummaterial befüllt, insbesondere um einen maximalen Innendruck innerhalb der Kavität und damit eine übermäßige Druckbelastung auf das Grundhohlbauteil, bzw. die Bauteilwände des Grundhohlbauteils zu vermeiden. Ferner könnte eine übermäßige Befüllung der Kavität ein vollständiges bzw. gleichmäßiges Aufschäumen ggf. behindern. Alternativ kann vorgesehen sein, dass vor oder während des Aufschäumens überschüssiges Schaummaterial, z.B. durch die Zugangsöffnung und/oder eine hierfür vorgesehene Öffnung, aus der Kavität entweichen bzw. verdrängt werden kann. Alternativ kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das überschüssige Schaummaterial von der Kavität des Verstärkungsbereichs in einen benachbarten Teil der Kavität entweicht bzw. verdrängt wird. Since the foam due to the pores usually has a greater specific volume or a lower specific gravity than the foam material, the reinforcing region of the cavity is preferably not completely filled with the foam material, in particular a maximum internal pressure within the cavity and thus an excessive pressure load on the Grundhohlbauteil, or to avoid the component walls of the base hollow component. Furthermore, excessive filling of the cavity could hinder complete or even foaming if necessary. Alternatively, it may be provided that excess foam material, e.g. through the access opening and / or an opening provided for this, escape from the cavity or can be displaced. Alternatively, it can be provided according to the invention that the excess foam material escapes or is displaced from the cavity of the reinforcement region into an adjacent part of the cavity.
Beim Aufschäumen des Schaummaterials zu dem festen Schaum wird zumindest der Verstärkungsbereich der Kavität mit dem festen Schaum vollständig ausgefüllt, so dass im Verstärkungsbereich der Schaum die Bauteilwand flächig kontaktiert. Flächig kontaktieren bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass der Schaum an der Bauteilwand anliegt, wobei keine größeren Poren oder Lufteinschlüsse als die Poren des Schaums an der Bauteilwand ausgebildet sind. Im Verstärkungsbereich entspricht demnach eine Außenkontur des Schaums einer Außenkontur der Kavität. Ein von außen auf die Bauteilwand ausgeübter Druck ist somit gleichmäßig auf bzw. in den Schaum weiterleitbar. Der Schaum stellt folglich ein Widerlager für die Bauteilwand bereit. Auf diese Weise ist eine punktuelle Überbelastung der Bauteilwand aufgrund einer äußeren Krafteinwirkung vermeidbar. When foaming the foam material to the solid foam, at least the reinforcement region of the cavity is completely filled with the solid foam, so that in the reinforcement region the foam contacts the component wall in a planar manner. Surface contact means in the context of the invention that the foam is applied to the component wall, wherein no larger pores or air pockets are formed as the pores of the foam on the component wall. Accordingly, in the reinforcement region, an outer contour of the foam corresponds to an outer contour of the cavity. An exerted on the outside of the component wall pressure is thus evenly on or in the foam forwarded. The foam thus provides an abutment for the component wall. In this way, a punctual overloading of the component wall due to an external force can be avoided.
Da das Aufschäumen des Schaummaterials in einer exothermen Reaktion erfolgt und der erzeugte Schaum die Bauteilwand kontaktiert bzw. gegen die Bauteilwand gedrückt wird, wird Wärme vom Schaum auf die Bauteilwand übertragen. Im Idealfall erfolgt dies gleichmäßig, nämlich wenn der Schaum im Verstärkungsbereich flächig an der Bauteilwand anliegt. Im Fall, dass der Schaum im Verstärkungsbereich nicht korrekt ausgebildet ist und an einer Stelle die Bauteilwand nicht kontaktiert bzw. nicht korrekt kontaktiert, findet an dieser Stelle ein schwächerer Wärmeübergang vom Schaum auf die Bauteilwand statt. Die Bauteilwand weist demnach an dieser Stelle eine geringere Temperatur auf als an den Stellen, die mit dem Schaum in Kontakt stehen. Ein solcher Temperaturunterschied ist beim Überwachen der Erwärmung mittels der Wärmedetektionsvorrichtung, wie vorzugsweise einer Infrarotkamera, detektierbar. Aufgrund des detektierten Temperaturunterschieds sind somit Strukturbauteile mit nicht korrekt ausgebildetem Schaumkern identifizierbar. Mit einem entsprechenden technischen Aufwand sind bereits Fehlstellen des Schaums von wenigen Quadratmillimetern, wie z.B. 100 mm2, detektierbar. Since the foaming of the foam material takes place in an exothermic reaction and the foam produced contacts the component wall or is pressed against the component wall, heat is transferred from the foam to the component wall. Ideally, this takes place uniformly, namely when the foam in the reinforcing region lies flat against the component wall. In the event that the foam in the reinforcing region is not formed correctly and the component wall is not contacted or not contacted correctly at one point, a weaker heat transfer from the foam to the component wall takes place at this point. The component wall therefore has a lower temperature at this point than at the locations which are in contact with the foam. Such a temperature difference is detectable in monitoring the heating by means of the heat detection device, such as preferably an infrared camera. Due to the detected temperature difference thus structural components are not identifiable with not properly trained foam core. With a corresponding technical effort, defects of the foam of a few square millimeters, such as 100 mm 2 , are already detectable.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils hat gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig ein durch einen Schaum belastungsoptimiertes Strukturbauteil herstellbar ist. Durch die Überwachung der Temperatur der Bauteilwand sind fehlerhafte Strukturbauteile leicht, zuverlässig sowie kostengünstig identifizierbar und anschließend aussortierbar. Dies ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Strukturbauteilen im Automobilbau oder Flugzeugbau von großer Wichtigkeit. Aufwendige Röntgenverfahren (beispielsweise CT) zur Ermittlung von Fehlern des Schaums sind nicht erforderlich. The method according to the invention for producing a structural component that is optimized in terms of stress in a reinforcement region has the advantage over conventional methods that it is possible to produce a structural component that is optimized by a foam with simple means and cost-effectively. By monitoring the temperature of the component wall faulty structural components are easily, reliably and inexpensively identifiable and then sorted out. This is particularly important for safety-related structural components in the automotive or aircraft construction of great importance. Elaborate x-ray techniques (such as CT) to detect faults in the foam are not required.
Es ist bevorzugt, dass das Grundhohlbauteil derart bereitgestellt wird, dass zumindest der Verstärkungsbereich des Grundhohlbauteils in einer Aufnahmekavität einer schließbaren Aufnahmeform angeordnet ist und die Aufnahmeform anschließend geschlossen wird, wobei die Aufnahmekavität eine Form und Größe aufweist, die einer Form und Größe des Verstärkungsbereichs des Grundhohlbauteils entspricht bzw. zumindest im Wesentlichen entspricht. Vorzugsweise ist die Aufnahmekavität zur passgenauen Aufnahme des Verstärkungsbereichs ausgebildet. Die Aufnahmeform ist vorzugsweise ortsfest anordenbar und mindestens zweiteilig ausgebildet, so dass der Verstärkungsbereich des Grundhohlbauteils formschlüssig von der Aufnahmeform aufnehmbar sowie lagefixierbar ist. Vorzugsweise wird das komplette Grundhohlbauteil formschlüssig in der Aufnahmekavität angeordnet. Das Schließen der Aufnahmeform kann beispielsweise vor dem Einbringen des flüssigen Schaummaterials erfolgen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass erst das Schaummaterial eingebracht und dann die Aufnahmeform geschlossen wird. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass das Grundhohlbauteil vor dem Einbringen des Schaummaterials über Fixiermittel an der offenen Aufnahmeform fixiert wird. Zum Überwachen der Erwärmung der Bauteilwand wird das erzeugte Strukturbauteil vorzugsweise aus der Aufnahmeform entnommen oder zumindest die Aufnahmeform geöffnet. Eine derartige Anordnung des Grundhohlbauteils in der Aufnahmeform hat insbesondere den Vorteil, dass das Grundhohlbauteil leicht, mit einfachen Mitteln sowie gut reproduzierbar lagegetreu fixierbar ist. It is preferable that the base hollow member is provided such that at least the reinforcing portion of the base hollow member is disposed in a receiving cavity of a closable receiving mold and the receiving mold is then closed, the receiving cavity having a shape and size corresponding to a shape and size of the reinforcing portion of the base hollow member corresponds or at least substantially corresponds. Preferably, the receiving cavity is formed for accurately fitting the gain region. The receiving form is preferably stationary and can be arranged at least in two parts, so that the reinforcing region of the base hollow component can be received in a form-fitting manner by the receiving mold and can be fixed in position. Preferably, the complete basic hollow component is arranged in a form-fitting manner in the receiving cavity. The closing of the receiving mold can take place, for example, before the introduction of the liquid foam material. Alternatively it can be provided that only the foam material is introduced and then the receiving mold is closed. In this case, it is preferred that the base hollow member is fixed to the open receiving mold via fixing means prior to introducing the foam material. For monitoring the heating of the component wall, the structural component produced is preferably removed from the receiving mold or at least the receiving mold is opened. Such an arrangement of the base hollow component in the receiving form has the particular advantage that the base hollow component is easily, with simple means and well reproducible true to size fixable.
Weiter bevorzugt wird die Aufnahmeform zur Abfuhr der beim Aufschäumen entstehenden Wärme gekühlt. Dies erfolgt vorzugsweise über eine Kühlvorrichtung, die mindestens einen Kühlkanal aufweist, der in der Aufnahmeform ausgebildet ist und zum Kühlen von einem Kühlfluid durchströmt wird. Die beim Aufschäumen entstehende Wärme wird somit über die Bauteilwand an die Aufnahmeform und das Kühlfluid weitergeleitet. Eine Kühlung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Bauteilwand ein Material aufweist, das eine relativ geringe thermische Belastbarkeit aufweist und durch die entstehende Wärme beim Aufschäumen beschädigt werden könnte. Durch das Kühlen kann auf einfache Art und Weise die Bauteilwand vor einer übermäßigen thermischen Belastung geschützt werden. More preferably, the receiving mold is cooled to dissipate the heat generated during foaming. This is preferably done via a cooling device having at least one cooling channel, which is formed in the receiving mold and is flowed through for cooling by a cooling fluid. The heat generated during foaming is thus forwarded via the component wall to the receiving mold and the cooling fluid. A cooling is particularly advantageous if the component wall has a material which has a relatively low thermal load and could be damaged by the resulting heat during foaming. By cooling, the component wall can be easily protected against excessive thermal stress.
Vorzugsweise ist die Aufnahmekavität derart ausgebildet, im geschlossenen Zustand der Aufnahmeform ein Ausdehnen des Grundhohlbauteils formschlüssig zu begrenzen. Die Aufnahmekavität ist vorzugsweise entsprechend einer Passung zum Grundhohlbauteil toleriert. Durch das Aufschäumen kann innerhalb der Kavität im Verstärkungsbereich ein Innendruck erhöht werden. Der Schaum wird dabei von innen gegen die Bauteilwand gedrückt. Hierdurch können in der Bauteilwand sehr hohe Zugspannungen auftreten, durch die das Grundhohlbauteil bzw. das erzeugte Strukturbauteil beschädigt werden kann: Es kann beispielsweise deformieren, brechen oder reißen. Durch eine derartige Ausbildung der Aufnahmeform wird die Struktur des Grundhohlbauteils bzw. des Strukturbauteils auf kostengünstige Art und Weise beim Aufschäumen wesentlich weniger mechanisch belastet, da Druckkräfte vom Schaum über die Bauteilwand direkt an die Aufnahmeform weitergeleitet werden. Die Bauteilwand wird somit im Wesentlichen nur noch auf Druck belastet, während in der Bauteilwand keine bzw. nur noch sehr geringe Zugspannungen auftreten. Preferably, the receiving cavity is designed such that, in the closed state of the receiving mold, an expansion of the basic hollow component is limited in a form-fitting manner. The receiving cavity is preferably tolerated according to a fit to the basic hollow component. By foaming an internal pressure can be increased within the cavity in the gain region. The foam is pressed from the inside against the component wall. As a result, very high tensile stresses can occur in the component wall, as a result of which the base hollow component or the structural component produced can be damaged: it can deform, break or tear, for example. By such a training of Recording form, the structure of the hollow component or the structural component in a cost-effective manner during foaming much less mechanically loaded because pressure forces are passed from the foam over the component wall directly to the receiving mold. The component wall is thus essentially loaded only on pressure, while in the component wall no or only very low tensile stresses occur.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das gesamte Grundhohlbauteil in der Aufnahmekavität angeordnet wird. Ferner kann vorgesehen sein, dass sich der Verstärkungsbereich über das gesamte bzw. im Wesentlichen über das gesamte Grundhohlbauteil erstreckt. Die Aufnahme des gesamten Grundhohlbauteils hat insbesondere den Vorteil, dass das Grundhohlbauteil während der Durchführung des Verfahrens gut lagefixierbar und vor Beschädigungen geschützt ist. It is inventively preferred that the entire basic hollow component is arranged in the receiving cavity. Furthermore, it can be provided that the reinforcement region extends over the entire or substantially over the entire base hollow component. The inclusion of the entire base hollow component has the particular advantage that the base hollow component is well fixable in position during the implementation of the method and protected from damage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Schaummaterial verwendet, das sich während des exothermen Aufschäumens auf eine Temperatur erwärmt, die mindestens 20 °C höher als die Umgebungstemperatur ist. Besonders bevorzugt ist, dass sich das Schaummaterial bei Raumtemperatur während des exothermen Aufschäumens auf etwa zwischen 100 °C und 130 °C aufwärmt. Ein derartiges Schaummaterial ist insbesondere für Grundhohlbauteile aus einem besonders temperaturempfindlichen Werkstoff von Vorteil, um eine übermäßige Temperaturbelastung zu vermeiden. According to a preferred embodiment of the invention, a foam material is used which heats up to a temperature at least 20 ° C higher than the ambient temperature during the exothermic foaming. It is particularly preferred that the foam material at room temperature during the exothermic foaming warms to between about 100 ° C and 130 ° C. Such a foam material is particularly advantageous for hollow components made of a material which is particularly sensitive to temperature, in order to avoid excessive temperature loading.
Vorzugsweise wird ein Schaummaterial verwendet, das zum eigenständigen Ausbilden einer Haftverbindung mit der Bauteilwand ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Einbringen des Schaummaterials ein Haftmittel an die der Kavität zugesandte Seite der Bauteilwand angebracht werden, z.B. durch Sprühauftrag. Eine Haftverbindung zwischen dem Schaum und der Bauteilwand hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln Relativbewegungen zwischen dem Schaum und der Bauteilwand, insbesondere aufgrund von Vibrationen, auf diese Weise effektiv verhindert werden. Ein erosiver Verschleiß des Schaums wird somit Vermieden bzw. zumindest vermindert. Ein Schaummaterial, das zur eigenständigen Ausbildung einer Haftverbindung mit der Bauteilwand ausgebildet ist hat den Vorteil, dass ein zusätzliches Fügeverfahren, wie z.B. ein Kleben, nicht mehr erforderlich ist. Hierdurch können der Herstellungsprozess vereinfacht und somit Herstellungskosten gesenkt werden. Preferably, a foam material is used, which is designed for the independent formation of an adhesive bond with the component wall. Alternatively or additionally, prior to the introduction of the foam material, an adhesive can be applied to the side of the component wall that has been sent to the cavity, e.g. by spray application. An adhesive bond between the foam and the component wall has the advantage that with simple means relative movements between the foam and the component wall, in particular due to vibrations, are effectively prevented in this way. An erosive wear of the foam is thus avoided or at least reduced. A foam material, which is designed for the independent formation of an adhesive bond with the component wall has the advantage that an additional joining method, such. Gluing is no longer necessary. As a result, the manufacturing process can be simplified and thus manufacturing costs can be reduced.
Es ist bevorzugt, dass das Schaummaterial mindestens zwei Komponenten aufweist, die zum Aufschäumen miteinander vermischt werden. Bevorzugt weist das Schaummaterial zwei Komponenten auf. Ein solches Schaummaterial wird auch als Zwei-Komponenten-Schaummaterial bezeichnet. Die beiden Komponenten sind separat voneinander lagerbar. Durch Mischen der beiden Komponenten wird der Aufschäumprozess initiiert. Dabei ist bevorzugt, dass der Aufschäumprozess nicht direkt beim Mischen der Komponenten oder unmittelbar nach dem Mischen stattfindet, sondern mit einer Verzögerung, damit ein Verteilen des Schaummaterials innerhalb der Kavität gewährleistet ist. Ein zu frühes Verfestigen birgt die Gefahr, dass das Schaummaterial in einige Bereiche des Verstärkungsbereichs der Kavität nicht eindringen kann, da eine Verteilung des Schaummaterials durch den bereits gebildeten Schaum behindert werden kann. Mit einem derartigen Schaummaterial aus mehreren Komponenten ist der Aufschäumprozess gut kontrollierbar. It is preferred that the foam material has at least two components which are mixed together for foaming. Preferably, the foam material has two components. Such a foam material is also referred to as a two-component foam material. The two components can be stored separately from each other. By mixing the two components of the foaming process is initiated. It is preferred that the foaming process not take place directly during mixing of the components or immediately after mixing, but with a delay, so that a distribution of the foam material is ensured within the cavity. Too early solidification entails the risk that the foam material can not penetrate into some areas of the reinforcement area of the cavity, since a distribution of the foam material can be hindered by the already formed foam. With such a foam material of several components, the foaming process is easy to control.
Weiter bevorzugt wird das Schaummaterial beim Einbringen mittels einer Düse in die Kavität eingespritzt. Hierfür kann beispielsweise eine Mischdüse verwendet werden, bei der die Komponenten bereits in der Düse vermischt werden. Alternativ kann eine Einspritzdüse verwendet werden, mittels der die Komponenten derart in die Kavität eingespritzt werden, dass die Komponenten nach dem Verlassen der Düse miteinander vermischt werden. Ein Einspritzen mittels einer Düse hat den Vorteil, dass ein gleichmäßiges Verteilen des Schaummaterials innerhalb der Kavität sowie ein Mischen der Komponenten verbessert sind. More preferably, the foam material is injected during introduction by means of a nozzle in the cavity. For this example, a mixing nozzle can be used, in which the components are already mixed in the nozzle. Alternatively, an injection nozzle can be used, by means of which the components are injected into the cavity in such a way that the components are mixed with one another after leaving the nozzle. Injection by means of a nozzle has the advantage that a uniform distribution of the foam material within the cavity and a mixing of the components are improved.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass bei der Überwachung der Erwärmung eine IST-Wärmeverteilung über die Bauteilwand ermittelt und mit einer SOLL-Wärmeverteilung verglichen wird, wobei bei einem Überschreiten eines Abweichungsschwellwerts das erzeugte Faserverbundstrukturbauteil aussortiert wird. Die SOLL-Wärmeverteilung beschreibt die Wärmeverteilung über die Bauteilwand, wenn der Schaum im Verstärkungsbereich innerhalb der Kavität gleichmäßig verteilt ist und an der Bauteilwand flächig anliegt. Eine IST-Wärmeverteilung, die kältere Bereiche als die SOLL-Wärmeverteilung aufweist, ist ein Anzeichen dafür, dass in diesen Bereichen der Schaum nicht an der Bauteilwand anliegt oder ein signifikanter Mischfehler vorliegt. Je stärker die Abweichung, desto fehlerhafter ist die Ausbildung des Schaums. Mittels einer solchen Überwachung ist auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Qualitätsüberwachung der hergestellten Strukturbauteile möglich. It can be provided according to the invention that during the monitoring of the heating an actual heat distribution is determined via the component wall and compared with a desired heat distribution, wherein the generated fiber composite structure component is sorted out when exceeding a deviation threshold value. The target heat distribution describes the heat distribution over the component wall, if the foam in the reinforcement area is evenly distributed within the cavity and lies flat against the component wall. An actual heat distribution, which has colder areas than the target heat distribution, is an indication that in these areas the foam is not attached to the component wall or there is a significant mixing error. The greater the deviation, the more defective is the formation of the foam. By means of such monitoring, quality monitoring of the manufactured structural components is possible in a simple and cost-effective manner.
Vorzugsweise wird ein Grundhohlbauteil bereitgestellt, das als Faserverbundstrukturbauteil ausgebildet ist, wobei die Bauteilwand mit einem Matrixwerkstoff imprägnierte Fasern aufweist. Derartige Grundhohlbauteile weisen bei geringem Gewicht eine hohe Festigkeit und hohe Belastbarkeit auf. Preferably, a base hollow member is provided, which is formed as a fiber composite structural component, wherein the component wall having a matrix material impregnated fibers. Such basic hollow components have high strength and high load capacity with low weight.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Strukturbauteil gelöst. Das Strukturbauteil weist eine Bauteilwand, eine von der Bauteilwand umgebene Kavität und einen Verstärkungsbereich auf. Die Kavität ist im Verstärkungsbereich mit einem druckstabilen und/oder energieabsorbierenden, festen Schaum ausgefüllt, der die Bauteilwand im Verstärkungsbereich flächig kontaktiert. Das erfindungsgemäße Strukturbauteil weist dieselben Vorteile auf, wie bereits voranstehend zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben sind. Demnach ist das erfindungsgemäße Strukturbauteil besonders druckstabil und/oder weist eine besonders große Energieabsorptionsfähigkeit auf. Ferner weist das Strukturbauteil eine geringe Dichte auf und ist kostengünstig sowie mit einfachen Mitteln herstellbar. According to a second aspect of the invention, the object is achieved by a structural component. The structural component has a component wall, a cavity surrounded by the component wall, and a reinforcement region. The cavity is filled in the gain region with a pressure-stable and / or energy-absorbing, solid foam, which contacts the component wall in the reinforcing region surface. The structural component according to the invention has the same advantages as already described above for the method according to the invention for producing a load-optimized structural component in a reinforcement region according to the first aspect of the invention. Accordingly, the structural component according to the invention is particularly pressure-stable and / or has a particularly high energy absorption capacity. Furthermore, the structural component has a low density and is inexpensive and can be produced by simple means.
Vorzugsweise ist das Strukturbauteil mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Das Verfahren ist mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig durchführbar. Es können auch Strukturbauteile in großen Stückzahlen in einer Massenfertigung mittels des Verfahrens wirtschaftlich hergestellt werden. Preferably, the structural component is produced by means of a method according to the invention. The process can be carried out with simple means and inexpensively. It is also possible to economically produce large-scale structural components in mass production by means of the method.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils gelöst. Die Vorrichtung weist eine schließbare Aufnahmeform mit einer Aufnahmekavität zum formschlüssigen Aufnehmen zumindest eines Verstärkungsbereichs eines Grundhohlbauteils, einer Einbringeinheit zum Einbringen von fließfähigem Schaummaterial in mindestens eine Zugangsöffnung des Grundhohlbauteils und eine Wärmedetektionsvorrichtung zum Überwachen einer Erwärmung einer Bauteilwand des erzeugten Strukturbauteils auf. Die Vorrichtung ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dieselben Vorteile auf, wie bereits voranstehend zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines in einem Verstärkungsbereich belastungsoptimierten Strukturbauteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben sind. According to a third aspect of the invention, the object is achieved by a device for producing a load-optimized structural component in a reinforcement region. The device has a closable receiving mold with a receiving cavity for receiving at least one reinforcement region of a base hollow component, a delivery unit for introducing flowable foam material into at least one access opening of the base hollow component and a heat detection device for monitoring a heating of a component wall of the generated structural component. The device is designed for carrying out a method according to the invention. The device according to the invention has the same advantages as already described above for the method according to the invention for producing a load-optimized structural component in a gain region according to the first aspect of the invention.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung sowie ein erfindungsgemäßes Strukturbauteil werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: A device according to the invention and a structural component according to the invention are explained in more detail below with reference to drawings. Each show schematically:
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Strukturbauteil structural component
- 2 2
- Grundhohlbauteil Basic hollow component
- 3 3
- Bauteilwand component wall
- 4 4
- Kavität cavity
- 5 5
- Zugangsöffnung access opening
- 6 6
- Schaum foam
- 10 10
- Vorrichtung contraption
- 11 11
- Aufnahmeform receiving mold
- 11a 11a
- Oberteil top
- 11b 11b
- Unterteil lower part
- 12 12
- Aufnahmekavität receiving cavity
- 13 13
- Einbringeinheit inserting unit
- 14 14
- Wärmedetektionsvorrichtung Heat detection device
- 15 15
- Kühlmittelkanal Coolant channel
- 16 16
- Düse jet
- 17 17
- Scharnier hinge
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102016209702.4A DE102016209702A1 (en) | 2016-06-02 | 2016-06-02 | Method and device for producing a structural component and structural component |
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DE102016209702.4A DE102016209702A1 (en) | 2016-06-02 | 2016-06-02 | Method and device for producing a structural component and structural component |
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---|---|---|---|---|
DE1504709A1 (en) * | 1963-04-12 | 1969-10-09 | Polymer Corp | Process for the production of foamed polylactam articles |
DE1604693A1 (en) * | 1965-05-14 | 1971-01-28 | Roberts Arthur Hugh | Layered three-dimensional objects |
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2016
- 2016-06-02 DE DE102016209702.4A patent/DE102016209702A1/en active Pending
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