DE102017124426A1 - Method and apparatus for consolidating fiber composite structures - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur (10) mit zumindest einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer angegeben, umfassend Anordnen der Faserverbundstruktur (10) zwischen einer plattenförmigen Unterlage (20) und einer plattenförmigen Abdeckung (30), Erwärmen der Faserverbundstruktur (10) bis in den Bereich der Schmelztemperatur des Polymers, und Erzeugen eines Unterdrucks in dem Zwischenraum (Z) zwischen der Unterlage (20) und der Abdeckung (30), so dass der Umgebungsdruck die Abdeckung (30) gegen die Unterlage (20) drückt und die Faserverbundstruktur (10) zwischen der Abdeckung (30) und der Unterlage (20) verpresst wird. Das Verfahren umfasst weiter die Schritte:Einbringen der Anordnung aus Abdeckung (30) und Unterlage (20) mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur (10) in eine Vakuumkammereinrichtung, welche zumindest eine Kammer (K1, K2, K3) ausbildet, Erzeugen eines Unterdrucks in der zumindest einen Kammer (K1, K2, K3) vor und/oder gleichzeitig mit dem Erzeugen des Unterdrucks in dem Zwischenraum (Z), nachdem Erreichen eines Solldrucks im Zwischenraum (Z), Abbauen des Unterdrucks in der zumindest einen Kammer (K1, K2, K3) unter Beibehaltung des Unterdrucks in dem Zwischenraum (Z) und Entnehmen der Anordnung aus Abdeckung (30) und Unterlage (20) mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur (10) aus der Vakuumkammereinrichtung.A method is provided for consolidating a fiber composite structure (10) with at least one thermoplastic and / or thermoelastic polymer, comprising arranging the fiber composite structure (10) between a plate-shaped base (20) and a plate-shaped cover (30), heating the fiber composite structure (10). to within the range of the melting temperature of the polymer, and creating a negative pressure in the gap (Z) between the base (20) and the cover (30), so that the ambient pressure presses the cover (30) against the base (20) and the Fiber composite structure (10) between the cover (30) and the base (20) is pressed. The method further comprises the steps of: introducing the arrangement of cover (30) and base (20) with the fiber composite structure (10) arranged therebetween into a vacuum chamber device which forms at least one chamber (K1, K2, K3), generating a negative pressure in the vacuum chamber at least one chamber (K1, K2, K3) before and / or simultaneously with the generation of the negative pressure in the intermediate space (Z), after reaching a target pressure in the intermediate space (Z), reducing the negative pressure in the at least one chamber (K1, K2, K3) while maintaining the negative pressure in the gap (Z) and removing the arrangement of cover (30) and pad (20) with the interposed fiber composite structure (10) from the vacuum chamber means.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konsolidieren von Faserverbundstrukturen für beispielsweise Automobilbauteile.The present invention relates to a method and apparatus for consolidating fiber composite structures for, for example, automotive components.
Die Anwendungen für Faserverbundwerkstoffe sind über die vergangenen Jahrzehnte immer weiter gestiegen, insbesondere wenn sie als preiswerte Alternative zu den metallischen Werkstoffen gesehen werden konnten, mit den Vorteilen der Gestaltungsfreiheit und anwendungsspezifischer Formulierungsmöglichkeiten. Speziell der Werkstoff CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) hat ein extrem hohes Leichtbaupotential, wobei er sich zugleich durch seine hohe Festigkeit und sehr hohe Struktursteifigkeit auszeichnet. Letzteres ist beispielsweise im Automobilbau ein wichtiges Kriterium.Fiber composite applications have continued to increase over the past decades, especially when viewed as a cost-effective alternative to metallic materials, with the benefits of design freedom and application-specific formulation capabilities. Specifically, the material CFK (carbon fiber reinforced plastic) has an extremely high potential for lightweight construction, while being characterized by its high strength and very high structural rigidity. The latter is an important criterion in automotive engineering, for example.
Die automatisierbare Herstellung der Preform stellt eine Schlüsseltechnologie im Herstellungsprozess von endlosfaserverstärkten Faserverbundbauteilen zur Realisierung einer effizienten Großserienfertigung mit reproduzierbarer stabiler Bauteilqualität dar. Aber auch bei sogenannten Hybridbauteilen, also formgepressten Blechen, die vornehmlich mit Carbonfaser-Halbzeugen verpresst werden, um kritische Belastungszonen zusätzlich zu verstärken, müssen sich alle Produktions-Einheiten anlagen- und steuerungstechnisch integrieren lassen, wenn eine hinreichende Produktivität erreicht werden soll.The automatable production of the preform represents a key technology in the production process of continuous fiber reinforced fiber composite components to realize an efficient mass production with reproducible stable component quality. But also in so-called hybrid components, ie compression molded sheets, which are mainly pressed with carbon fiber semi-finished products to reinforce critical stress zones in addition All production units must be able to integrate plant and control technology if sufficient productivity is to be achieved.
Zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen werden heute überwiegend textile Faser-Halbzeuge wie Fasergewebe oder Fasergelege, welche mit einer Matrix teilweise oder vollständig imprägniert sind. Ferner können Fasergewebe auch mit pulverförmigen Kunststoff infiltriert werden oder aus einem Mischgarn mit einem Anteil an thermoplastischen Fasern hergestellt werden, deren thermoplastischer Anteil bei der weiteren Verarbeitung aufgeschmolzen wird und die Matrix bildet. Die Matrix von faserverstärkten Kunststoffen hat die Aufgabe, die hochbelastbaren Fasern einzubetten (Stützfunktion) und deren Zwischenraum vollständig auszufüllen (Sperrfunktion).For the production of continuous fiber reinforced components are now predominantly textile fiber semi-finished products such as fiber fabric or fiber fabric, which are partially or completely impregnated with a matrix. Furthermore, fiber webs can also be infiltrated with powdered plastic or produced from a blended yarn with a proportion of thermoplastic fibers whose thermoplastic fraction is melted during further processing and forms the matrix. The matrix of fiber-reinforced plastics has the task of embedding the heavy-duty fibers (supporting function) and completely filling their intermediate space (blocking function).
An Matrix-Werkstoffe können grundsätzlich Materialien aus den Gruppen der Thermoplaste und ggf. zusätzlicher elastifizierender Komponenten, wie Elastomere, eingesetzt werden, welche sich in der Festigkeit, der maximalen Dehnung, der Einsatztemperatur, der Verarbeitungsgeschwindigkeit und der Chemikalienbeständigkeit unterscheiden.In principle, materials from the groups of thermoplastics and optionally additional elasticizing components, such as elastomers, which differ in strength, maximum elongation, operating temperature, processing speed and chemical resistance, can be used on matrix materials.
Aus diesen Halbzeugen, die als Rollen oder Plattenware in Standardformaten zur Verfügung stehen, werden beispielsweise in einem Schneidprozess Zuschnitte erzeugt, die in der Regel das umgeformte Bauteil vollflächig auskleiden.From these semi-finished products, which are available as rolls or sheets in standard formats, blanks are produced, for example, in a cutting process, which usually line the formed component over its entire surface.
Alternativ können endlosfaserverstärkte Bauteile auch über Faser- oder auch als TapeLegeverfahren bekannt gewordene Verfahren wesentlich verschnittärmer bzw. verschnittfrei und damit ressourceneffizienter hergestellt werden. Speziell die Verwendung von Tapes aus thermoplastischen Endlosfasern erweist sich als eine sehr attraktive Prozessvariante. Mit einem „Tape“ ist im Zusammenhang vorzugsweise jegliche Art von bahnförmigem Material, insbesondere ein Prepregmaterial, das beispielsweise eine Breite zwischen 30 und 200 mm aufweist, gemeint, welches für ein Ablegen mittels einer Tapelegevorrichtung geeignet ist. Mit „Prepegmaterial“ sind vorliegend insbesondere Faser-Garne (Rovings), Faser-Gelege und/oder FaserGewebe gemeint, welche mit einer Matrix, beispielsweise einer Thermoplastmatrix, teilweise oder vollständig imprägniert, insbesondere vorimprägniert, sind. Bei den „Fasern“ handelt es sich insbesondere um Kohlenstofffasern, ist aber in gleicher Weise auch für Glasfasern oder andere, insbesondere künstlich hergestellte, Fasern oder auch Naturfasern anwendbar. Zur Verarbeitung von Tapes ist bekannt, diese mittels Tapelegevorrichtungen, insbesondere auch sogenannte Fibre-Placement-Vorrichtungen, von einer Spule oder Rolle abzuziehen, auf Länge zu schneiden und auf einen Legetisch bzw. einer bereits auf dem Legetisch abgelegten Tapestruktur abzulegen. Mit dem Ablegen eines Tapestreifens wird dieser über eine Anzahl an Ultraschall-Schweißköpfen punktweise mit der darunter liegende Tapeschicht verbunden. Beispielhafte Tapelegevorrichtungen sind beispielsweise aus den Dokumenten
Nachdem so mittels Tapelegen von einzelnen Tapes, oder mittels Anordnen von großflächigen Zuschnitten, Faserverbundstrukturen mit einer gewünschten Form gelegt bzw. aufgebaut wurden, ist es erforderlich, die Faserverbundstrukturen in einem nachfolgenden Verfahrensschritt unter Einwirkung von Druck und Temperatur zu verpressen und so zu einem Laminat zu konsolidieren.After laying fiber composite structures having a desired shape by means of tape laying of individual tapes, or by arranging large-area blanks, it is necessary to compress the fiber composite structures in a subsequent process step under the action of pressure and temperature and thus to form a laminate consolidate.
Ein beispielhaftes Verfahren zum Konsolidieren von Faserverbundstrukturen mit thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymeren ist aus dem Dokument
Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist der geringe erforderliche anlagentechnische Aufwand, insbesondere der Verzicht auf Presswerkzeuge oder dergleichen, so dass sich das Verfahren einfach und kostengünstig realisieren lässt. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren eine direkte Erwärmung der Faserverbundstruktur
Allerdings besteht bei diesem Verfahren die Möglichkeit, dass es beim Schließen von Abdeckung und Unterlage zu Lufteinschlüssen kommt, bzw. dass sich während des Verpressens und Konsolidierens innerhalb der Faserverbundstruktur Lufteinschlüsse bilden, und so zur Bildung von Poren in dem konsolidierten Laminat führen. Zwar wird durch den angewandten Unterdruck für eine gewisse Entlüftung der Faserverbundstruktur gesorgt, da aber die Faserverbundstruktur zwischen der Unterlage und der Abdeckung eingepresst wird, mag es vorkommen, dass ein Absaugen von Lufteinschlüssen vor allem in der Mitte der Faserverbundstruktur in einigen Fällen nur unzureichend erfolgt. Infolgedessen können sich vor allem in der Mitte der Faserverbundstruktur Poren bilden, die zu einem optisch unzulänglichen Eindruck der Oberfläche des konsolidierten Laminats und/oder zu einem inhomogenen Laminat führen können. Diese Problematik besteht insbesondere bei großen Formaten, wie beispielsweise bis zu 2.000 mm × 2.000 mm oder mehr.However, this method has the potential for air pockets when closing the cover and backing, or air pockets forming during the compression and consolidation within the fiber composite structure, resulting in the formation of voids in the consolidated laminate. Although a certain ventilation of the fiber composite structure is provided by the applied negative pressure, but since the fiber composite structure is pressed between the base and the cover, it may happen that extraction of air pockets, especially in the middle of the fiber composite structure in some cases only insufficient. As a result, pores may form in the center of the fiber composite structure, which may lead to an optically inadequate impression of the surface of the consolidated laminate and / or to an inhomogeneous laminate. This problem exists especially with large formats, such as up to 2,000 mm × 2,000 mm or more.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur anzugeben, welche die vorstehenden Nachteile überwinden.It is therefore an object of the invention to provide a method and an apparatus for consolidating a fiber composite structure which overcome the above disadvantages.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur anzugeben, welche es ermöglichen, eine Faserverbundstruktur bei weitestehender Vermeidung der Ausbildung von Lufteinschlüssen und/oder Poren zu einem Laminat zu konsolidieren, und es so ermöglicht, ein Laminat mit einer einwandfreien, homogenen Oberfläche sowie mit auszubilden.It is a further object of the invention to provide a method and apparatus for consolidating a fiber composite structure which makes it possible to consolidate a fiber composite structure into a laminate while largely avoiding the formation of air pockets and / or pores, thus allowing a laminate to be laminated a perfect, homogeneous surface and with form.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden gelöst mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur wie in den Ansprüchen 1 und 12 angegeben. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.These and other objects of the invention are achieved with a method and apparatus for consolidating a fiber composite structure as recited in claims 1 and 12. Further preferred embodiments are set forth in the dependent claims.
Als eine erste Lösung wird ein Verfahren zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur mit zumindest einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer angegeben, umfassend Anordnen der Faserverbundstruktur zwischen einer plattenförmigen Unterlage und einer plattenförmigen Abdeckung, wobei die Abdeckung durch ein Dichtelement in Bezug auf die Unterlage verlagerbar gegen die Unterlage abgedichtet wird, Erzeugen eines Unterdrucks in dem Zwischenraum zwischen der Unterlage und der Abdeckung, und Erwärmen der Faserverbundstruktur mittels elektromagnetischer Strahlung zumindest bis in den Bereich der Schmelztemperatur des zumindest einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymers, wobei unter Einwirkung des die Abdeckung gegen die Unterlage drückenden Umgebungsdrucks die Faserverbundstruktur zwischen der Abdeckung und der Unterlage verpresst wird. Das Verfahren umfasst weiter: Einbringen der Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur in eine Vakuumkammereinrichtung, wobei die Vakuumkammereinrichtung zumindest eine Kammer ausbildet, welche die Abdeckung und/oder die Unterlage gegenüber der Umgebung zumindest teilweise abdichtet, Erzeugen eines Unterdrucks in der zumindest einen Kammer vor und/oder gleichzeitig mit dem Erzeugen des Unterdrucks in dem Zwischenraum, nachdem der Unterdruck in dem Zwischenraum einen Solldruck erreicht hat, Abbauen des Unterdrucks in der zumindest einen Kammer unter Beibehaltung des Unterdrucks in dem Zwischenraum, und nach Abbauen des Unterdrucks in der zumindest einen Kammer, Entnehmen der Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur aus der Vakuumkammereinrichtung.As a first solution, there is provided a method of consolidating a fiber composite structure comprising at least one thermoplastic and / or thermoelastic polymer, comprising disposing the fiber composite structure between a plate-shaped pad and a plate-shaped cover, the cover being displaceable against the pad by a sealing element with respect to the pad heating the fiber composite structure by electromagnetic radiation at least up to the range of the melting temperature of the at least one thermoplastic and / or thermoelastic polymer, under the action of the cover against the pad oppressive Ambient pressure the fiber composite structure between the cover and the substrate is pressed. The method further comprises: inserting the cover and pad assembly with the fiber composite structure therebetween into a vacuum chamber means, the vacuum chamber means forming at least one chamber which at least partially seals the cover and / or pad against the environment, creating a negative pressure in the at least one a chamber before and / or simultaneously with generating the negative pressure in the space after the negative pressure in the space has reached a target pressure, reducing the negative pressure in the at least one chamber while maintaining the negative pressure in the gap, and after reducing the negative pressure in the at least one chamber, removing the arrangement of cover and pad with the interposed fiber composite structure from the vacuum chamber means.
Gemäß der Erfindung erfolgt das Verpressen und Konsolidieren der Faserverbundstruktur daher nicht gleichzeitig mit dem Evakuieren des Zwischenraums, wie dies etwa beim mit Bezug auf
Es ist dabei bevorzugt, dass das Erwärmen der Faserverbundstruktur mittels elektromagnetischer Strahlung nach Entnehmen der Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur aus der Vakuumkammereinrichtung erfolgt, um eine möglichst einfache Handhabung des Verfahrens zu ermöglichen. Alternativ ist es auch denkbar, das Erwärmen der Faserverbundstruktur mittels elektromagnetischer Strahlung vor dem Platzieren der Abdeckung auf der Unterlage vorzunehmen, und/oder das Erwärmen innerhalb der Vakuumkammereinrichtung auszuführen.It is preferred that the heating of the fiber composite structure by means of electromagnetic radiation after removal of the arrangement of cover and pad with the interposed fiber composite structure from the vacuum chamber means is carried out to allow the simplest possible handling of the method. Alternatively, it is also conceivable to carry out the heating of the fiber composite structure by means of electromagnetic radiation prior to placing the cover on the substrate, and / or to carry out the heating within the vacuum chamber device.
Vorzugsweise wird die Abdeckung anfänglich in einem Abstand über der Faserverbundstruktur positioniert.Preferably, the cover is initially positioned at a distance above the fiber composite structure.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Abdeckung an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Tragrahmenelement aufweist, und/oder die Unterlage an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Tragrahmenelement aufweist.It is preferably provided that the cover has on at least two opposite sides in each case a support frame element, and / or the pad on at least two opposite sides each having a support frame element.
Die Abdeckung und/oder die Unterlage sind bevorzugt als ein strahlungstransparentes Element ausgebildet oder umfassen diese, insbesondere als eine Glasplatte oder eine Glaskeramikplatte ausgebildet oder umfassen diese. Die Abdeckung und/oder die Unterlage sollten insbesondere transparent für UV-Strahlung, Infrarot-Strahlung, LaserStrahlung und/oder Mikrowellen-Strahlung ausgebildet sein.The cover and / or the base are preferably designed as a radiation-transparent element or comprise these, in particular formed as a glass plate or a glass ceramic plate or include these. The cover and / or the underlay should in particular be designed to be transparent for UV radiation, infrared radiation, laser radiation and / or microwave radiation.
Die Vakuumkammereinrichtung kann vorzugsweise eine erste Kammerabdeckung umfassen, auf welche die Unterlage positioniert werden kann, so dass sich die erste Vakuumkammerabdeckung unterhalb der Unterlage erstreckt, wobei eine erste Kammer zwischen der ersten Kammerabdeckung und der Unterlage ausgebildet wird, wobei weiter eine Abdichtung zwischen der ersten Kammerabdeckung und der Unterlage vorgesehen ist, insbesondere ein Dichtelement, um die erste Kammer zur Umgebung hin abzudichten, und wobei weiter bevorzugt ein Durchgang vorgesehen ist, insbesondere ein Rohrleitungsabschnitt, welcher es erlaubt, die Kammer mit einer Vakuumpumpe zu verbinden zur Erzeugung des Unterdrucks in der ersten Kammer. Weiter vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das zwischen der Unterlage und der Abdeckung vorgesehene Dichtelement eine erste Wirkfläche einschließt, das zwischen der ersten Kammerabdeckung und der Abdeckung vorgesehene Dichtelement eine zweite Wirkfläche einschließt, und dass die zweite Wirkfläche größer als die erste Wirkfläche ist.The vacuum chamber means may preferably comprise a first chamber cover on which the pad positions can be so that the first vacuum chamber cover extends below the pad, wherein a first chamber between the first chamber cover and the pad is formed, further provided a seal between the first chamber cover and the pad, in particular a sealing element to the first chamber to seal the environment, and more preferably a passage is provided, in particular a pipe section, which allows to connect the chamber with a vacuum pump for generating the negative pressure in the first chamber. Further preferably, it can be provided that the sealing element provided between the base and the cover encloses a first active area, the sealing element provided between the first chamber cover and the cover encloses a second active area, and that the second effective area is larger than the first effective area.
Alternativ oder ergänzend kann die Vakuumkammereinrichtung eine zweite Kammerabdeckung umfassen, welche auf die Abdeckung positioniert werden kann, so dass sich die zweite Kammerabdeckung oberhalb der Abdeckung erstreckt, wobei eine zweite Kammer zwischen der zweiten Kammerabdeckung und der Abdeckung ausgebildet wird, wobei weiter eine Abdichtung zwischen der zweiten Kammerabdeckung und der Abdeckung vorgesehen ist, insbesondere ein Dichtelement, um die zweite Kammer zur Umgebung hin abzudichten, und wobei weiter bevorzugt ein Durchgang vorgesehen ist, insbesondere ein Rohrleitungsabschnitt, welcher es erlaubt, die Kammer mit einer Vakuumpumpe zu verbinden zur Erzeugung des Unterdrucks in der zweiten Kammer.Alternatively or additionally, the vacuum chamber means may comprise a second chamber cover which may be positioned on the cover such that the second chamber cover extends above the cover, a second chamber being formed between the second chamber cover and the cover, further comprising a seal between the second chamber cover second chamber cover and the cover is provided, in particular a sealing element to seal the second chamber to the environment, and more preferably a passage is provided, in particular a pipe section, which allows to connect the chamber with a vacuum pump for generating the negative pressure in the second chamber.
Weiter vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das zwischen der Unterlage und der Abdeckung vorgesehene Dichtelement eine erste Wirkfläche einschließt, das zwischen der ersten Kammerabdeckung und der Unterlage vorgesehene Dichtelement eine zweite Wirkfläche einschließt, und dass die zweite Wirkfläche größer als die erste Wirkfläche ist. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die zweite Wirkfläche um einen Betrag größer als die erste Wirkfläche ist, der so bemessen ist, dass für einen gegebenen Druckzustand bei teilweiser oder vollständiger Evakuierung des Zwischenraums und der Kammer, die zwischen der ersten Kammerabdeckung und der Unterlage ausgebildet ist, eine resultierende Kraft ergibt, welche vorzugsweise von der Faserverbundstruktur weggerichtet ist.Further preferably, it may be provided that the sealing element provided between the base and the cover encloses a first active area, the sealing element provided between the first chamber cover and the base enclosing a second active area, and that the second effective area is larger than the first effective area. Particularly preferably, it can be provided that the second active area is greater than the first effective area by an amount that is dimensioned for a given pressure state upon partial or complete evacuation of the gap and the chamber formed between the first chamber cover and the pad is, results in a resultant force, which is preferably directed away from the fiber composite structure.
Weiter vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das zwischen der Unterlage und der Abdeckung vorgesehene Dichtelement eine erste Wirkfläche einschließt, das zwischen der zweiten Kammerabdeckung und der Abdeckung vorgesehene Dichtelement eine zweite Wirkfläche einschließt, und dass die zweite Wirkfläche größer als die erste Wirkfläche ist. Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die zweite Wirkfläche um einen Betrag größer als die erste Wirkfläche ist, der so bemessen ist, dass für einen gegebenen Druckzustand bei teilweiser oder vollständiger Evakuierung des Zwischenraums und der Kammer, die zwischen der zweiten Kammerabdeckung und der Abdeckung ausgebildet ist, eine resultierende Kraft ergibt, welche die von der Abdeckung ausgeübte Gewichtskraft kompensiert.Further preferably, it may be provided that the sealing element provided between the base and the cover encloses a first active area, the sealing element provided between the second chamber cover and the cover enclosing a second active area, and that the second effective area is larger than the first effective area. Particularly preferably, it can be provided that the second effective area is greater than the first effective area by an amount which is such that for a given pressure state upon partial or complete evacuation of the gap and the chamber formed between the second chamber cover and the cover is a resultant force which compensates for the weight force exerted by the cover.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass die erste Kammerabdeckung und die zweite Kammerabdeckung während des Erzeugens eines Unterdrucks in den Kammern auf einem vordefinierten Abstand zueinander gehalten werden. Dies kann besonders bevorzugt erfolgen, indem entsprechend bemaßte Bolzen oder Abstandselemente ausgebildet und zwischen der ersten Kammerabdeckung und der zweiten Kammerabdeckung angeordnet werden, welche die zweite Kammerabdeckung auf und gegenüber der ersten Kammerabdeckung abstützen.In a further preferred embodiment it can be provided that the first chamber cover and the second chamber cover are kept at a predefined distance from one another during the generation of a negative pressure in the chambers. This may more preferably be accomplished by forming appropriately sized bolts or spacers between the first chamber cover and the second chamber cover which support the second chamber cover on and opposite the first chamber cover.
Alternativ oder ergänzend können Halteelemente vorgesehen werden, welche die erste und die zweite Kammerabdeckung jeweils in einer vorgegebenen Position relativ zum Beispiel eines Vorrichtungsrahmens halten und derart mittelbar die erste und die zweite Kammerabdeckung relativ zueinander in Position und in einem vorgegebenen Abstand halten.Alternatively or additionally, retaining elements may be provided which respectively hold the first and second chamber covers in a predetermined position relative to, for example, a device frame and indirectly hold the first and second chamber covers relative to each other in position and at a predetermined distance.
Weiter alternativ kann die Vakuumkammereinrichtung als ein Vakuumgehäuse ausgebildet sein, in welches die Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur eingebracht werden kann, wobei das Vakuumgehäuse eine Kammer ausbildet, welche die eingebrachte Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur umgibt, wobei weiter bevorzugt ein Durchgang vorgesehen ist, insbesondere ein Rohrleitungsabschnitt, welcher es erlaubt, die Kammer mit einer Vakuumpumpe zu verbinden zur Erzeugung des Unterdrucks in der Kammer.Further alternatively, the vacuum chamber means may be formed as a vacuum housing into which the cover and pad assembly with the fiber composite structure interposed therebetween may be inserted, the vacuum housing forming a chamber surrounding the inserted cover and pad assembly with the fiber composite structure therebetween. wherein more preferably a passage is provided, in particular a pipe section, which allows to connect the chamber with a vacuum pump for generating the negative pressure in the chamber.
Die Abdichtung kann jeweils mittels eines Dichtelements, insbesondere einer elastischen Ringdichtung erfolgen.The seal can be carried out in each case by means of a sealing element, in particular an elastic ring seal.
Der Zwischenraum und die zumindest eine Kammer können jeweils mit einer gleichen Vakuumpumpe verbunden werden. Alternativ können für den Zwischenraum und die zumindest eine Kammer getrennte Vakuumpumpen vorgesehen sind, wobei weiter bevorzugt die Vakuumpumpen so angesteuert und/oder betrieben werden, dass der Druck in der zumindest einen Kammer kleiner ist als der Druck in dem Zwischenraum, insbesondere wenigstens 1 mbar, 2 mbar, 5 mbar oder 10 mbar kleiner ist als der Druck in dem Zwischenraum.The intermediate space and the at least one chamber can each be connected to a same vacuum pump. Alternatively, separate vacuum pumps may be provided for the intermediate space and the at least one chamber, more preferably the vacuum pumps being controlled and / or operated such that the pressure in the at least one chamber is less than the pressure in the intermediate space, in particular at least 1 mbar. 2 mbar, 5 mbar or 10 mbar is less than the pressure in the intermediate space.
Als eine weitere Lösung wird eine Vorrichtung zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur mit zumindest einem thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymer angegeben, umfassend eine plattenförmige Unterlage; eine plattenförmige Abdeckung; ein Dichtelement zur verlagerbaren Abdichtung der Abdeckung in Bezug auf die Unterlage; zumindest eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung zum Erwärmen der Faserverbundstruktur mittels elektromagnetischer Strahlung zumindest bis in den Bereich der Schmelztemperatur des zumindest einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymers; und eine Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks in dem Zwischenraum zwischen der Unterlage und der Abdeckung. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Vakuumkammereinrichtung, in welche die Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur eingebracht werden kann, wobei die Vakuumkammereinrichtung zumindest eine Kammer ausbildet, welche die Abdeckung und/oder die Unterlage gegenüber der Umgebung abdichtet, wobei die Vorrichtung so betreibbar ist, in der zumindest einen Kammer vor und/oder gleichzeitig mit dem Erzeugen des Unterdrucks in dem Zwischenraum einen Unterdruck zu erzeugen, nach Erreichen eines Zieldrucks in dem Zwischenraum den Unterdruck in der zumindest einen Kammer unter Beibehaltung des Unterdrucks in dem Zwischenraum abzubauen, und nach Abbauen des Unterdrucks in der zumindest einen Kammer die Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur aus der Vakuumkammereinrichtung zu entnehmen.As another solution, there is provided an apparatus for consolidating a fiber composite structure with at least one thermoplastic and / or thermoelastic polymer comprising a plate-shaped pad; a plate-shaped cover; a sealing member for displaceably sealing the cover with respect to the pad; at least one radiation source for generating electromagnetic radiation for heating the fiber composite structure by means of electromagnetic radiation at least up to the range of the melting temperature of the at least one thermoplastic and / or thermoelastic polymer; and a vacuum pump for generating a negative pressure in the space between the base and the cover. The apparatus further comprises a vacuum chamber device, into which the arrangement of cover and base can be introduced with the fiber composite structure arranged therebetween, wherein the vacuum chamber device forms at least one chamber, which the cover and / or the pad seals against the environment, wherein the device is operable to generate a negative pressure in the at least one chamber before and / or simultaneously with the generation of the negative pressure in the gap, after reaching a target pressure in the gap Reduce negative pressure in the at least one chamber while maintaining the negative pressure in the intermediate space, and remove after removal of the negative pressure in the at least one chamber, the arrangement of cover and pad with the interposed fiber composite structure from the vacuum chamber means.
Die Vorrichtung kann bevorzugt geeignet sein, ein Verfahren wie vorstehend beschrieben auszuführen.The device may preferably be suitable for carrying out a method as described above.
Als eine nochmals weitere Lösung wird eine Anlage zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur mit einer Belade-/Entladestation, einer Heizstation, und einer Kühlstation angegeben, welche eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben umfasst, und die eingerichtet ist: in der Belade-/Entladestation die mit einer Faserverbundstruktur belegte Unterlage aufzunehmen oder die Unterlage zur Belegung mit einer Faserverbundstruktur bereitzustellen, und die Abdeckung über der Unterlage zu positionieren, in der Belade-/Entladestation oder in einer zwischen der Belade-/Entladestation und der Pressstation angeordneten Station, die Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur in die Vakuumkammereinrichtung einzubringen, in der zumindest einen Kammer und in dem Zwischenraum den Unterdruck zu erzeugen, nach Erreichen eines Zieldrucks in dem Zwischenraum den Unterdruck in der zumindest einen Kammer unter Beibehaltung des Unterdrucks in dem Zwischenraum abzubauen, und nach Abbauen des Unterdrucks in der zumindest einen Kammer die Anordnung aus Abdeckung und Unterlage mit der dazwischen angeordneten Faserverbundstruktur aus der Vakuumkammereinrichtung zu entnehmen, die Unterlage und die Abdeckung mit der dazwischen platzierten Faserverbundstruktur zur Heizstation zu bewegen, in der Heizstation die Faserverbundstruktur mittels der zumindest einen Strahlungsquelle zumindest bis in den Bereich der Schmelztemperatur des zumindest einen thermoplastischen und/oder thermoelastischen Polymers zu erwärmen, wobei durch den Unterdruck in dem Zwischenraum die erweichte Faserverbundstruktur zwischen der Abdeckung und der Unterlage konsolidiert wird; nach erfolgter Konsolidierung, die Unterlage und die Abdeckung mit der dazwischen platzierten konsolidierter Faserverbundstruktur zur Kühlstation zu bewegen; in der Kühlstation, die Anordnung aus Unterlage, Abdeckung und der dazwischen platzierten Faserverbundstruktur vorzugsweise unter Aufrechterhaltung des Unterdrucks zu kühlen; nach erfolgter Abkühlung, die Unterlage und die Abdeckung mit der dazwischen platzierten Faserverbundstruktur zur Belade-/Entladestation zu bewegen; und in der Belade-/Entladestation die Abdeckung von der Unterlage abzuheben zur Entnahme der konsolidierten Faserverbundstruktur von der Unterlage oder zur Entnahme der mit der konsolidierten Faserverbundstruktur belegten Unterlage.As yet another solution, there is provided a plant for consolidating a fiber composite structure having a loading / unloading station, a heating station, and a cooling station comprising a device as described above, and which is arranged at the loading / unloading station with a fiber composite structure in the loading / unloading station or in a station located between the loading / unloading station and the pressing station, the arrangement of cover and underlay with the interposed fiber composite structure in the vacuum chamber device to produce in the at least one chamber and in the space the negative pressure abz after reaching a target pressure in the gap the negative pressure in the at least one chamber while maintaining the negative pressure in the intermediate space and after removing the negative pressure in the at least one chamber, remove the assembly of cover and pad with the fiber composite structure therebetween from the vacuum chamber means, moving the pad and the cover with the fiber composite structure placed therebetween to the heating station, in the heating station, using the fiber composite structure the at least one radiation source being heated at least to within the range of the melting temperature of the at least one thermoplastic and / or thermoelastic polymer, the negative pressure in the intermediate space consolidating the softened fiber composite structure between the cover and the substrate; after consolidation, moving the underlay and the cover with the consolidated fiber composite structure placed therebetween to the cooling station; in the cooling station, preferably to cool the assembly of base, cover and the interposed fiber composite structure while maintaining the negative pressure; after cooling, move the backing and the cover with the fiber composite structure placed therebetween to the loading / unloading station; and in the loading / unloading station, lifting the cover from the pad to remove the consolidated fiber composite structure from the pad or to remove the pad coated with the consolidated fiber composite structure.
Die Kühlstation kann eine erste und eine zweite Kühlplatte aufweisen, wobei zum Kühlen die Anordnung aus Unterlage, Abdeckung und der dazwischen platzierten Faserverbundstruktur auf der ersten Kühlplatte angeordnet werden kann und die zweite Kühlplatte auf die Anordnung aus Unterlage, Abdeckung und der dazwischen platzierten Faserverbundstruktur abgesenkt werden kann. Durch den direkten Kontakt mit den Kühlplatten kann eine gute Wärmeleitung und damit eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht werden.The cooling station can have a first and a second cooling plate, wherein for cooling the arrangement of base, cover and the fiber composite structure placed therebetween can be arranged on the first cooling plate and the second cooling plate can be lowered onto the arrangement of base, cover and the interposed fiber composite structure can. Due to the direct contact with the cooling plates, a good heat conduction and thus an efficient heat dissipation can be made possible.
Bevorzugt kann weiter vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Kühlplatte als Pressplatten einer Presse arbeiten können, derart, einen vorgegebenen Pressdruck auf die Anordnung aus Unterlage, Abdeckung und der dazwischen platzierten Faserverbundstruktur auszuüben. Auf diese Weise ist es möglich, auch während der Zeit in der Kühlstation die Faserverbundstruktur im verpressten Zustand zu halten, und so zu verhindern, dass die Faserverbundstruktur möglicher Weise expandiert und so in unerwünschter Weise ihre gewünschte Form verliert, und/oder für eine weitere Verpressung der Faserverbundstruktur zu sorgen.Preferably, it can further be provided that the first and the second cooling plate can work as press plates of a press, such as to exert a predetermined pressing pressure on the arrangement of base, cover and the interposed fiber composite structure. In this way, it is possible to keep the fiber composite structure in the compressed state during the time in the cooling station, and thus to prevent the fiber composite structure from possibly expanding, thus undesirably losing its desired shape, and / or for further compression to provide the fiber composite structure.
Die genannte Anlage ist bevorzugt so eingerichtet, ein Verfahren wie vorstehend beschrieben auszuführen.Said system is preferably arranged to carry out a method as described above.
Die Erfindung wird hiernach mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben:
-
1 zeigt ein Verfahren zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur gemäß dem Stand der Technik; -
2A bis2D zeigen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform; -
3 zeigt eine Vorrichtung zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform; -
4 zeigt eine Vorrichtung zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform; und -
5A bis5B dienen der Erläuterung des Effekts unterschiedlicher von den Dichtelementen definierter Wirkflächen
-
1 shows a method for consolidating a fiber composite structure according to the prior art; -
2A to2D show an apparatus and method for consolidating a fiber composite structure according to a first embodiment; -
3 shows an apparatus for consolidating a fiber composite structure according to a second embodiment; -
4 shows an apparatus for consolidating a fiber composite structure according to a third embodiment; and -
5A to5B serve to explain the effect of different defined by the sealing elements active surfaces
Mit Bezug auf die
Wie in
Um eine einfachere Handhabung der Abdeckung
In
Die Abdeckung
Anschließend kann die Anordnung aus Unterlage
Die erste Kammerabdeckung
Die zweite Kammerabdeckung
Die erste und die zweite Kammerabdeckung
Um zu verhindern, dass durch die Last der zweiten Kammerabdeckung
Wie in der
Die Ventile
Auf Grund der stabilen Ausführung der Kammerabdeckungen
Da in diesem Ausführungsbeispiel der Zwischenraum
Wenn der Druck in dem Zwischenraum
Nachdem die Faserverbundstruktur
Nachdem auf diese Weise die Faserverbundstruktur
Das Verfahren kann bevorzugt in einer Anlage (nicht dargestellt) zum Konsolidieren einer Faserverbundstruktur
In der Belade-/Entladestation kann die Unterlage
Die Unterlage
Nach erfolgter Verpressung wird, vorzugsweise bei weiter angelegtem Vakuum, die Gesamtheit aus Unterlage
In der Kühlstation kann eine erste Kühlplatte, beispielsweise in Form eines Kühltischs, vorgesehen sein, auf welche die Unterlage
Bevorzugt kann weiter vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Kühlplatte als Pressplatten einer Presse arbeiten können, derart, einen vorgegebenen Pressdruck auf die Anordnung aus Unterlage
Anschließend kann die Gesamtheit aus Unterlage
Um eine übermäßige Kompression der Faserverbundstruktur
Wieder mit Bezug auf
Ebenso ist ein Dichtelement
Außerhalb der von den Dichtelementen
Für die Abdeckung
Von der Unterseite der Abdeckung
Als resultierende nach unten gerichtete Kraft
Die resultierende Kraft
Dieser Umstand kann sich vorteilhaft zu Nutze gemacht werden, um durch eine geeignete Wahl von ΔW die Gewichtskraft
Für eine Abdeckung
Um eine vollständige Kompensation dieser Gewichtskraft bei einer teilweisen Evakuierung auf z.B. ungefähr dem halben Umgebungsdruck, vereinfacht als 500 mbar angenommen, zu erreichen, kann eine Wirkflächendifferenz ΔW von ca. 500 N / 0,5*100.000 N/m2 = 0,010 m2 = 100 cm2 vorgesehen werden.In order to achieve a complete compensation of this weight force in a partial evacuation to, for example, approximately half the ambient pressure, assumed simplified as 500 mbar, an effective area difference ΔW of approximately 500 N / 0, 5 * 100,000 N / m 2 = 0.010 m 2 = 100 cm 2 are provided.
Wird die Evakuierung weiter fortgesetzt, so steigt die Druckdifferenz ΔP, und es findet folglich eine Überkompensation statt, so dass erreicht werden kann, dass die Abdeckung
Eine entsprechende Ausgestaltung kann vorteilshaft entsprechend auch bezüglich des Dichtelements
Durch diese Anordnung, insbesondere einer geeigneten Wahl einer Wirkflächendifferenz ΔW, kann erreicht werden, dass auf die Abdeckung
Ergänzend oder alternativ kann auch vorgesehenen werden, mehrere Vakuumpumpen
Im Vorstehenden wurde mit Bezug auf die
So ist es ebenfalls denkbar, wie in
In einer nochmals weiteren Ausführungsform kann, wie in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 101, 10
- FaserverbundstrukturFiber composite structure
- 2,202.20
- Unterlagedocument
- 3,30,3,30,
- Abdeckungcover
- 4, 144, 14
- Strahlungseinrichtungradiation device
- 5, 155, 15
- Dichtelementsealing element
- 66
- Rohrstutzenpipe socket
- 2121
- TragrahmenelementSupporting frame element
- 3131
- TragrahmenelementSupporting frame element
- 4040
- Kammerabdeckungchamber cover
- 4141
- Dichtelementsealing element
- 5050
- Kammerabdeckungchamber cover
- 5151
- Dichtelementsealing element
- 61, 62, 63, 6461, 62, 63, 64
- RohrleitungsabschnittPipeline section
- 6565
- Vakuumpumpevacuum pump
- 6767
- Vakuumgehäusevacuum housing
- AA
- Fläche der AbdeckungArea of the cover
- FF
- Kraftforce
- FG F G
- Gewichtskraftweight force
- Fres Res
- resultierende Kraftresulting power
- PR P R
- reduzierter Druckreduced pressure
- PU P U
- Umgebungsdruckambient pressure
- K1, K2, K3K1, K2, K3
- Kammerchamber
- V1, V2, V3, V4, V5V1, V2, V3, V4, V5
- VentilValve
- W2, WZW2, WZ
- Wirkflächenactive surfaces
- ZZ
- Zwischenraumgap
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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