DE102019129775A1 - Process for the production of fiber-reinforced components, fiber-reinforced component and system for carrying out such a process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen, insbesondere faserverstärkten Kunststoffbauteilen, wobei ein Aufbringen wenigstens einer Faserkomponente (40) mit wenigstens einer ersten Faserschicht auf ein Innenwerkzeug (10) erfolgt. In einem weiteren Schritt wird die Faserkomponente (40) mit einem Außenwerkzeug (20) umschlossen. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Rotieren des Innenwerkzeugs (10) zusammen mit der wenigstens einen Faserkomponente (40) und dem Außenwerkzeug (20) mit einer vorbestimmbaren ersten Drehzahl. Des Weiteren erfolgt ein Einbringen einer flüssigen Matrixkomponente (30) mittels dem Innenwerkzeug (10), sodass die Matrixkomponente (30) während des Rotierens die Faserkomponente (40) derart durchdringt, dass die Faserkomponente (40) in der Matrixkomponente (30) eingebettet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein faserverstärktes Bauteil und ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for producing fiber-reinforced components, in particular fiber-reinforced plastic components, wherein at least one fiber component (40) with at least one first fiber layer is applied to an inner tool (10). In a further step, the fiber component (40) is enclosed with an external tool (20). In a further step, the inner tool (10) is rotated together with the at least one fiber component (40) and the outer tool (20) at a predeterminable first speed. Furthermore, a liquid matrix component (30) is introduced by means of the inner tool (10), so that the matrix component (30) penetrates the fiber component (40) during rotation in such a way that the fiber component (40) is embedded in the matrix component (30). The invention also relates to a fiber-reinforced component and a system for carrying out such a method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen, insbesondere faserverstärkten Kunststoffbauteilen, ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein faserverstärktes Bauteil gemäß einem solchen Verfahren.The invention relates to a method for producing fiber-reinforced components, in particular fiber-reinforced plastic components, a system for carrying out such a method and a fiber-reinforced component according to such a method.
Üblicherweise erfolgt die Herstellung faserverstärkter Bauteile unter Einsatz von Vakuum- oder Überdruckeinheiten. Auf diese Weise kann eine geeignete Kompaktierung der Matrix- und der Fasermaterialien erzielt werden. Dieses Vorgehen ist jedoch kosten- und zeitaufwendig.Fiber-reinforced components are usually manufactured using vacuum or overpressure units. In this way, suitable compaction of the matrix and fiber materials can be achieved. However, this procedure is costly and time-consuming.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit eine solche Kompaktierung der Matrixkomponente und der darin einzubettenden Fasern im Schleuderguss-Verfahren zu erreichen. Hierbei wird die Fliehkraft während der Rotation um eine Drehachse ausgenutzt, um eine gewünschte Mischung bzw. Entmischung von Faser- und Matrixkomponente zu erzielen.It is also possible to achieve such a compaction of the matrix component and the fibers to be embedded therein using the centrifugal casting process. Here, the centrifugal force is used during the rotation around an axis of rotation in order to achieve a desired mixture or separation of fiber and matrix components.
Ein solches Schleuderguss-Verfahren ist aus den Druckschriften
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils anzugeben, welches einfach anwendbar und kostengünstig durchführbar ist, sowie die Bereitstellung hochwertiger und maßhaltiger Bauteile mit hohen Toleranzanforderungen ermöglicht, wobei Fasern jeglicher Art, wie auch Lang- und Endlosfasern, gezielt verarbeitbar sind, insbesondere hinsichtlich der Faseranordnung und -ausrichtung. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung ein faserverstärktes Bauteil und ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.The invention is based on the object of specifying a method for producing a fiber-reinforced component which is easy to use and inexpensive to carry out, as well as making it possible to provide high-quality and dimensionally stable components with high tolerance requirements, with fibers of all types, including long and continuous fibers, being specifically processable especially in terms of fiber placement and orientation. A further object of the invention is to specify a fiber-reinforced component and a system for carrying out the method according to the invention.
Die Aufgabe wird mit Blick auf das Herstellungsverfahren durch den unabhängigen Anspruch 1, mit Blick auf das faserverstärkte Bauteil durch den Anspruch 9 und mit Blick auf das System durch den Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved with a view to the production method by independent claim 1, with a view to the fiber-reinforced component by claim 9 and with a view to the system by claim 9. Preferred embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen, insbesondere faserverstärkten Kunststoffbauteilen, vorgesehen, welches die folgenden Schritte aufweist:
- - Aufbringen wenigstens einer Faserkomponente mit wenigstens einer ersten Faserschicht auf ein Innenwerkzeug,
- - Umschließen der Faserkomponente mit einem Außenwerkzeug, insbesondere sodass die Faserkomponente von dem Innenwerkzeug in Kombination mit dem Außenwerkzeug umschlossen ist, vorzugsweise wenigstens umfangsseitig umschlossen bzw. eingefasst ist;
- - Rotieren des Innenwerkzeugs zusammen mit der wenigstens einen Faserkomponente und dem Außenwerkzeug mit einer vorbestimmbaren ersten Drehzahl;
- - Einbringen einer flüssigen Matrixkomponente mittels dem Innenwerkzeug, insbesondere Einbringen der flüssigen Matrixkomponente in einen Innendurchmesser des vorzugsweise permeablen Innenwerkzeugs, sodass die Matrixkomponente während des Rotierens die Faserkomponente derart durchdringt, dass die Faserkomponente in der Matrixkomponente eingebettet wird.
- - applying at least one fiber component with at least one first fiber layer to an internal tool,
- - Enclosing the fiber component with an external tool, in particular so that the fiber component is enclosed by the internal tool in combination with the external tool, preferably enclosed or enclosed at least on the circumferential side;
- Rotating the inner tool together with the at least one fiber component and the outer tool at a predeterminable first speed;
- Introducing a liquid matrix component by means of the inner tool, in particular introducing the liquid matrix component into an inner diameter of the preferably permeable inner tool, so that the matrix component penetrates the fiber component during rotation in such a way that the fiber component is embedded in the matrix component.
Die Erfindung basiert auf der Idee, anhand der Vorpositionierung der Faserkomponente auf dem Innenwerkzeug und der Festlegung einer spezifischen Bauteilgeometrie mittels dem Außenwerkzeug ein faserverstärktes Bauteil bereitzustellen, welches sowohl eine geeignete Faserverteilung entlang seines Querschnitts und eine hochgradige Faserausrichtung, insbesondere in jeder einzelnen der vorgesehenen Faserschichten, aufweist, als auch eine hohe Maßhaltigkeit im Sinne eines Abdrucks insbesondere einer Innenseite bzw. einer Innenform bzw. eines Innendurchmessers des Außenwerkzeugs aufweist.The invention is based on the idea of using the pre-positioning of the fiber component on the inner tool and the definition of a specific component geometry by means of the outer tool to provide a fiber-reinforced component which has both a suitable fiber distribution along its cross-section and a high-grade fiber orientation, in particular in each of the individual fiber layers provided, as well as having a high degree of dimensional accuracy in the sense of an imprint in particular of an inner side or an inner shape or an inner diameter of the outer tool.
Indem lediglich die Matrixkomponente, beispielsweise ein Harz bzw. ein Reaktionsharz oder ein anderer flüssiger Matrixwerkstoff, während der Rotation im Zuge eines Schleuderguss-Verfahrens zugeführt werden muss, ist ein vereinfachter Prozess und eine vorteilhaft steuerbare Verteilung der Faserkomponente bzw. Einbettung in die Matrixkomponente verfügbar. Anhand der Rotation und den wirkenden Fliehkräften ist das resultierende faserverstärkte Bauteil ferner vorteilhaft entformbar, insbesondere von dem Innenwerkzeug vorteilhaft entformbar.Since only the matrix component, for example a resin or a reaction resin or another liquid matrix material, has to be fed in during the rotation in the course of a centrifugal casting process, a simplified process and an advantageously controllable distribution of the fiber component or embedding in the matrix component is available. On the basis of the rotation and the acting centrifugal forces, the resulting fiber-reinforced component can also advantageously be demolded, in particular advantageously demolded from the inner tool.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Faserkomponente im trockenen Zustand auf das Innenwerkzeug abgelegt bzw. aufgebracht wird. Die Faserkomponente kann geflochten, gewickelt oder auf eine andere zweckmäßige Weise auf dem Innenwerkzeug angeordnet werden. Vorzugsweise kann die Faserkomponente in jeder erdenklichen Faserhalbzeugform, wie z.B. als Gewebe, Gelege, unidirektionales Material, Matten oder dergleichen, und mit einer beliebigen, insbesondere als Kurz-, Lang- oder Endlosfasern, im Rahmen der Erfindung einsetzbar bzw. verwendbar sein.In particular, it is provided that the fiber component in the dry state on the Inner tool is deposited or applied. The fiber component can be braided, wound or arranged on the inner tool in some other suitable manner. The fiber component can preferably be used or usable in any conceivable semi-finished fiber form, such as woven fabric, scrim, unidirectional material, mats or the like, and with any desired, in particular short, long or continuous fibers, within the scope of the invention.
Des Weiteren ist bei der Positionierung des Außenwerkzeugs vorgesehen, dass anhand des Außenwerkzeugs und des Innenwerkzeugs ein im Wesentlichen abgeschlossener Arbeitsraum ausgebildet wird, indem die Faserkomponente angeordnet und von der Matrixkomponente durchdrungen werden kann. Im Sinne der Erfindung kann die Faserkomponente als von dem Innenwerkzeug und dem Außenwerkzeug vollständig, wenigstens jedoch umfangsseitig, umschlossen bzw. eingefasst angesehen werden. Innerhalb des gebildeten Arbeitsraumes kann eine zweckmäßige Einbettung der wenigstens einen Faserkomponente in die wenigstens eine Matrixkomponente, beispielsweise ein (Reaktions-)Harz, erfolgen.Furthermore, when positioning the external tool, it is provided that an essentially closed working space is formed on the basis of the external tool and the internal tool, in which the fiber component can be arranged and penetrated by the matrix component. In the context of the invention, the fiber component can be viewed as completely enclosed or enclosed by the inner tool and the outer tool, at least however on the circumferential side. The at least one fiber component, for example a (reaction) resin, can expediently be embedded in the at least one matrix component within the working space formed.
Im Sinne der Erfindung ist als ein Innenwerkzeug insbesondere ein gegenüber einer Rotationsachse radial innenliegendes Werkzeugteil und als ein Außenwerkzeug insbesondere ein gegenüber der Rotationsachse radial außenliegendes Werkzeugteil zu verstehen.For the purposes of the invention, an inner tool is to be understood as meaning, in particular, a tool part that is located radially on the inside with respect to an axis of rotation, and an outer tool is to be understood in particular as a tool part that is located radially outside of the axis of rotation.
Indem die Matrixkomponente und die Faserkomponente entlang der wirkenden Fliehkräfte nach radial außen gegen das Außenwerkzeug gedrückt werden, kann ein faserverstärktes Bauteil bereitgestellt werden, welches einen Abdruck einer Innenform bzw. eines Innendurchmessers des Außenwerkzeugs darstellt. Indem das Außenwerkzeug eine maßhaltige Innenform aufweist, sind faserverstärkte Bauteile bzw. Kunststoffbauteile innerhalb enger Toleranzbereiche in reproduzierbarer Form herstellbar.By pressing the matrix component and the fiber component radially outward against the outer tool along the acting centrifugal forces, a fiber-reinforced component can be provided which represents an impression of an inner shape or an inner diameter of the outer tool. Because the outer tool has a dimensionally stable inner shape, fiber-reinforced components or plastic components can be produced in a reproducible form within narrow tolerance ranges.
Des Weiteren bedingen die Rotation und die damit einhergehenden Fliehkräfte eine, zumindest geringfügige, Ausrichtung bzw. Orientierung und Streckung der Faserkomponente bzw. der in der Faserkomponente enthaltenen Faserbestandteile. Auf diese Weise kann, insbesondere durch eine Streckung der Faserondulationen, eine vorteilhafte Faserausrichtung verstärkt bzw. unterstützt und damit eine optimierte Qualität des faserverstärkten Bauteils erzielt werden.Furthermore, the rotation and the accompanying centrifugal forces cause an, at least slight, alignment or orientation and stretching of the fiber component or the fiber components contained in the fiber component. In this way, in particular by stretching the fiber undulations, an advantageous fiber alignment can be reinforced or supported and thus an optimized quality of the fiber-reinforced component can be achieved.
Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bedarfsweise ein Bauteil mit hohem Fasergehalt und niedriger Innenmaßhaltigkeit hergestellt werden, oder ein Bauteil mit niedrigem Fasergehalt und hoher Innenmaßhaltigkeit. Anhand der vorliegenden Erfindung ist somit eine flexible, anwendungsspezifische Ausgestaltung faserverstärkter Bauteile möglich.Furthermore, with the method according to the invention, if necessary, a component with a high fiber content and low internal dimensional accuracy can be produced, or a component with a low fiber content and high internal dimensional accuracy. Using the present invention, a flexible, application-specific configuration of fiber-reinforced components is thus possible.
Es ist bevorzugter Weise vorgesehen, dass die flüssige Matrixkomponente in einen Innendurchmesser des vorzugsweise permeablen Innenwerkzeugs eingebracht wird, sodass die Matrixkomponente während des Rotierens die Faserkomponente durchdringt und einbettet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einer permeablen Ausgestaltung beispielsweise des Innenwerkzeugs insbesondere zu verstehen, dass die Matrixkomponente eine Wandung bzw. Umfangswandung des Innenwerkzeugs durchdringen kann. Hierzu kann das Innenwerkzeug zweckmäßige Öffnungen entlang seiner Wandung aufweisen. Die Permeabilität des Innenwerkzeugs und/oder des Außenwerkzeugs beschreibt somit die Möglichkeit für die Matrixkomponente, in den Arbeitsraum zwischen dem Innenwerkzeug und dem Außenwerkzeug einzutreten und/oder teilweise aus diesem Arbeitsraum wieder auszutreten.It is preferably provided that the liquid matrix component is introduced into an inner diameter of the preferably permeable inner tool, so that the matrix component penetrates and embeds the fiber component during rotation. In the context of the present invention, a permeable configuration, for example of the inner tool, is to be understood in particular to mean that the matrix component can penetrate a wall or peripheral wall of the inner tool. For this purpose, the inner tool can have appropriate openings along its wall. The permeability of the inner tool and / or the outer tool thus describes the possibility for the matrix component to enter the working space between the inner tool and the outer tool and / or to partially exit this working space again.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren den weiteren Schritt aufweist:
- - Weiterrotieren des Innenwerkzeugs zusammen mit der Matrixkomponente, der Faserkomponente und dem Außenwerkzeug bis eine gewünschte Kompaktierung der Faserkomponente innerhalb der Matrixkomponente erreicht ist, insbesondere weiterrotieren mit einer vorbestimmbaren zweiten Drehzahl und/oder unter fortlaufendem Einbringen von flüssiger Matrixkomponente, vorzugsweise mit einem reduzierten Volumenzufluss.
- - Further rotation of the inner tool together with the matrix component, the fiber component and the outer tool until a desired compaction of the fiber component within the matrix component is achieved, in particular further rotation at a predeterminable second speed and / or with continuous introduction of liquid matrix component, preferably with a reduced volume inflow.
So kann während dem Weiterrotieren zur Kompaktierung der Matrixkomponente mit der eingebetteten Faserkomponente das Einbringen der Matrixkomponente fortgesetzt werden, insbesondere mit einer reduzierten Volumenzuflussrate der Matrixkomponente fortgesetzt werden. Auf diese Weise kann die Matrixkomponente gemäß der einsetzenden Kompaktierung nachgeführt werden.Thus, during the further rotation to compact the matrix component with the embedded fiber component, the introduction of the matrix component can be continued, in particular continued with a reduced volume inflow rate of the matrix component. In this way, the matrix component can be adjusted in accordance with the compaction that is taking place.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren den weiteren Schritt auf:
- - Weiterrotieren des Innenwerkzeugs zusammen mit der Faserkomponente, der Matrixkomponente und dem Außenwerkzeug bis ein gewünschter Aushärtungsgrad der Matrixkomponente erreicht ist, insbesondere weiterrotieren mit einer vorbestimmbaren dritten Drehzahl.
- Further rotation of the inner tool together with the fiber component, the matrix component and the outer tool until a desired degree of hardening of the matrix component is reached, in particular continuing to rotate at a predeterminable third speed.
Nach einer Ausführungsform ist die vorbestimmbare zweite Drehzahl kleiner als die vorbestimmbare erste Drehzahl, und wobei die vorbestimmbare dritte Drehzahl kleiner ist als die vorbestimmbare erste und/oder zweite Drehzahl.According to one embodiment, the predeterminable second speed is less than the predeterminable first speed, and wherein the predeterminable third speed is less than the predeterminable first and / or second speed.
Indem während des Trocknungs- bzw. Aushärtevorgangs ein Weiterrotieren erfolgt, kann einer einseitigen Wandaufdickung des faserverstärkten Bauteils vorgebeugt werden. Insbesondere kann hierzu die Drehzahl über einen Trocknungs-/Aushärtezeitraum im Wesentlichen kontinuierlich oder schrittweise reduziert werden.By continuing to rotate during the drying or curing process, one-sided wall thickening of the fiber-reinforced component can be prevented. In particular, for this purpose, the speed can be reduced essentially continuously or gradually over a drying / curing period.
Insbesondere kann mit einer sehr hohe ersten Drehzahl ein schnelles (Durch-)Tränken der Faserkomponente mit der Matrixkomponente erzielt werden. Dies kann bei schnell reagierenden bzw. trocknenden Matrixkomponenten, wie z.B. bei schnell reagierenden Harzen, wichtig bzw. notwendig sein. Anhand eines vorzugsweise permeablen Außenwerkzeugs und dem Einsatz von Harz als Matrixkomponente kann somit der Bildung von sogenannten „Harznestern“ bzw. harzreichen Bereiche vorgebeugt werden.In particular, with a very high first speed, rapid (soaking) impregnation of the fiber component with the matrix component can be achieved. This can be important or necessary for fast-reacting or drying matrix components, such as fast-reacting resins. With the help of a preferably permeable outer tool and the use of resin as a matrix component, the formation of so-called “resin nests” or areas rich in resin can be prevented.
Die niedrigere zweite Drehzahl kann, insbesondere bei reduziertem Zufluss von Matrixkomponente bzw. Harz oder dergleichen, zum Einstellen des Kompaktierungsgrades des Fasermaterials bei noch fließfähigem Harz bzw. fließfähiger Matrixkomponente genutzt werden.The lower second speed can be used, in particular with a reduced inflow of matrix component or resin or the like, to adjust the degree of compaction of the fiber material when the resin or the flowable matrix component is still flowable.
Eine wiederrum niedrigere dritte Drehzahl kann zum gleichmäßigen Aushärten der Matrixkomponente, in Verbindung mit der darin eingebetteten Faserkomponente, genutzt werden.Another lower third speed can be used for uniform curing of the matrix component in connection with the fiber component embedded therein.
Besonders bevorzugt kann nach der Einbettung der Faserkomponente in die Matrixkomponente mittels der ersten Drehzahl das Weiterrotieren mit der zweiten, reduzierten Drehzahl fortgesetzt werden. Des Weiteren ist es hierbei möglich, eine weitere Zu- bzw. Abführung der Matrixkomponente zu reduzieren oder zu stoppen. Nach dem Erzielen eines gewünschten Kompaktierungsgrades kann eine vorzugsweise niedrigere dritte Drehzahl einstellbar sein, um die Rotation des herzustellenden, faserverstärkten Bauteils während der Aushärtung fortzusetzen und die Formstabilität sicherzustellen.Particularly preferably, after the fiber component has been embedded in the matrix component by means of the first speed, the further rotation at the second, reduced speed can be continued. It is also possible here to reduce or stop any further feed or discharge of the matrix component. After a desired degree of compaction has been achieved, a preferably lower third speed can be set in order to continue the rotation of the fiber-reinforced component to be produced during curing and to ensure dimensional stability.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Drehzahl identisch sind oder die erste, zweite und dritte Drehzahl identisch sind.Alternatively, it can be provided that the first and the second speed are identical or the first, second and third speed are identical.
Insbesondere können die erste, zweite und dritte Drehzahl als eine Drehzahlkennlinie vorgesehen sein, die eine konstante Drehzahl oder über ihren Zeitverlauf variable Drehzahlverläufe bzw. Drehzahländerungen aufweist. Auch sind die erste, zweite und dritte Drehzahl jeweils für sich konstant oder variabel ausgestaltbar. So kann beispielsweise die dritte Drehzahl während des Aushärtens stetig abnehmen, beispielsweise im Sinne einer Rampenfunktion, oder die erste Drehzahl während des Einbringens der Matrixkomponente zum Durchtränken der Faserkomponente ondulieren oder dergleichen.In particular, the first, second and third speed can be provided as a speed characteristic which has a constant speed or speed curves or changes in speed that are variable over time. The first, second and third speeds can each be configured to be constant or variable. For example, the third speed can steadily decrease during curing, for example in the sense of a ramp function, or the first speed can undulate during the introduction of the matrix component to soak the fiber component or the like.
Während den verschiedenen Arbeitsschritten, insbesondere während des initialen Einbringens der Matrixkomponente zum Durchdringen und Einbetten der Faserkomponente, des Kompaktierens sowie des Aushärtens des herzustellenden, faserverstärkten Bauteils, sind jeweils zweckmäßige Rotationsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen einstellbar.During the various work steps, in particular during the initial introduction of the matrix component for penetrating and embedding the fiber component, compacting and curing of the fiber-reinforced component to be produced, appropriate rotational speeds can be set.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren zumindest temporär in einem Ofen bzw. einem temperierbaren Bereich durchgeführt wird, um eine Aushärtung des faserverstärkten Bauteils zu beschleunigen.Furthermore, it can be provided that the method according to the invention is carried out at least temporarily in an oven or a temperature-controllable area in order to accelerate curing of the fiber-reinforced component.
In einer Ausführungsform ist/sind die erste Drehzahl, die zweite Drehzahl und/oder die dritte Drehzahl zum gemeinsamen Rotieren wenigstens des Innenwerkzeugs, der Faserkomponente und des Außenwerkzeugs als konstante Drehzahl(en) oder variable Drehzahlen(en) bzw. Drehzahlkennlinien vorbestimmbar.In one embodiment, the first speed, the second speed and / or the third speed for rotating at least the inner tool, the fiber component and the outer tool can be predetermined as constant speed (s) or variable speed (s) or speed characteristics.
Demnach wird die erste Drehzahl derart eingestellt, dass eine geeignete Einbettung bzw. Durchtränkung der Faserkomponente in der Matrixkomponente erfolgen kann. Des Weiteren kann anhand einer zweiten Drehzahl und den damit einhergehenden Fliehkräften eine Kompaktierung bzw. Verdichtung des faserverstärkten Bauteils gezielt eingestellt werden. Während eine dritte Drehzahl eingestellt ist, kann das Aushärten des faserverstärkten Bauteils erfolgen, wobei eine Formgebung des Bauteils anhand der fortlaufenden Rotation beibehalten werden kann.Accordingly, the first speed is set in such a way that suitable embedding or impregnation of the fiber component in the matrix component can take place. Furthermore, a compaction or compression of the fiber-reinforced component can be set in a targeted manner on the basis of a second speed and the associated centrifugal forces. While a third speed is set, the curing of the fiber-reinforced component can take place, wherein a shape of the component can be maintained on the basis of the continuous rotation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Faserkomponente mit wenigstens einer ersten und einer zweiten Fasermaterialschicht auf dem Innenwerkzeug aufgebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zwischen der ersten Fasermaterialschicht und der zweiten Fasermaterialschicht der Faserkomponente wenigstens eine Sandwichkomponente eingelegt, insbesondere wenigstens ein Schaumelement, Verbindungselemente, vorzugsweise metallische Verbindungselemente, oder dergleichen.According to a further embodiment, the fiber component is applied to the inner tool with at least a first and a second fiber material layer. In a preferred embodiment, at least one sandwich component is inserted between the first fiber material layer and the second fiber material layer of the fiber component, in particular at least one foam element, connecting elements, preferably metallic connecting elements, or the like.
So kann mittels der vorliegenden Erfindung ein komplexes, faserverstärktes Bauteil, und insbesondere eine Sandwich-Bauweise des faserverstärkten Bauteils, anwendungsspezifisch und zweckmäßig umgesetzt werden.Thus, by means of the present invention, a complex, fiber-reinforced component, and in particular a sandwich construction of the fiber-reinforced component, can be implemented in an application-specific and expedient manner.
Nach einer Ausführungsform wird umfangsseitig als eine erste Schichtkomponente, zwischen dem Innenwerkzeug und der Faserkomponente, und/oder als eine letzte Schichtkomponente, zwischen der Faserkomponente und dem Außenwerkzeug, wenigstens eine Abreißkomponente, insbesondere ein Abreißgewebe, aufgebracht.According to one embodiment, a first layer component, between the inner tool and the fiber component, and / or as a last layer component, between the fiber component and the outer tool, at least one tear-off component, in particular a tear-off fabric, applied.
Gemäß einem nebengeordneten Aspekt der Erfindung ist ein faserverstärktes Bauteil, insbesondere faserverstärktes Kunststoffbauteil, vorgesehen, welches nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, wobei das faserverstärkte Bauteil wenigstens eine Matrixkomponente und wenigstens eine Faserkomponente mit wenigstens einer Faserschicht aufweist.According to a secondary aspect of the invention, a fiber-reinforced component, in particular a fiber-reinforced plastic component, is provided which is produced by a method according to the invention, the fiber-reinforced component having at least one matrix component and at least one fiber component with at least one fiber layer.
Insbesondere kann das faserverstärkte Bauteil als ein maßhaltig faserverstärktes Bauteil bereitgestellt werden, welches auch engen Toleranzbereichen genügen kann. Des Weiteren können die mechanischen Eigenschaften des Bauteils anhand der vorteilhaften Faserausrichtung der Faserkomponente im Zuge der Rotation sowie anhand eines gezielt einstellbaren Faseranteils optimierbar sein.In particular, the fiber-reinforced component can be provided as a dimensionally stable fiber-reinforced component which can also meet narrow tolerance ranges. Furthermore, the mechanical properties of the component can be optimized on the basis of the advantageous fiber alignment of the fiber component in the course of the rotation and on the basis of a specifically adjustable fiber proportion.
In einem weiteren nebengeordneten Aspekt der Erfindung ist ein System zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils gemäß der Erfindung vorgesehen, mit
- - einem Innenwerkzeug, welches während einer Rotation zur umfangsseitigen Abgabe der Matrixkomponente geeignet ist, und
- - einem Außenwerkzeug, welches an einem Innendurchmesser eine Innenform zur Ausbildung des faserverstärkten Bauteils aufweist.
- - An inner tool which is suitable for the peripheral delivery of the matrix component during a rotation, and
- - An external tool which has an internal shape on an internal diameter for forming the fiber-reinforced component.
Unter der Abgabe der Matrixkomponente durch das Innenwerkzeug ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere zu verstehen, dass die Matrixkomponente durch das Innenwerkzeug bzw. eine Wandung des Innenwerkzeugs hindurchtreten kann und umfangsseitig entlang des Innenwerkzeuges austritt.In the context of the present invention, the release of the matrix component through the inner tool is to be understood in particular as meaning that the matrix component can pass through the inner tool or a wall of the inner tool and exits along the circumference of the inner tool.
Alternativ kann die Matrixkomponente anderweitig entlang des Innenwerkzeugs zweckmäßig verteilbar und abgebbar sein, beispielsweise mittels spezieller Fluidleitungen oder dergleichen.Alternatively, the matrix component can expediently be distributed and dispensed in some other way along the inner tool, for example by means of special fluid lines or the like.
Die Innenform des Außenwerkzeugs kann insbesondere als eine maßhaltige Innenform ausgebildet sein, sodass das Bauteil im Sinne eines Abdrucks der Innenform auch engen Toleranzbereichen genügt. Insbesondere ist eine Vielzahl von faserverstärkten Bauteilen innerhalb enger Toleranzbereiche auf diese Weise herstellbar.The inner shape of the outer tool can in particular be designed as a dimensionally stable inner shape, so that the component also satisfies narrow tolerance ranges in the sense of an imprint of the inner shape. In particular, a large number of fiber-reinforced components can be produced in this way within narrow tolerance ranges.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Innenwerkzeug als ein permeables Innenwerkzeug, insbesondere als ein Hohlrohr mit permeabler Umfangswandung, ausgebildet ist und/oder das Außenwerkzeug als ein permeables Außenwerkzeug, insbesondere mit permeabler Umfangswandung, ausgebildet ist. Des Weiteren sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Innenwerkzeug und/oder das Außenwerkzeug ausgestaltet als eine permeable Membran, eine metallische Form, insbesondere ein Blech, mit Öffnungen, eine Form mit piezo-adaptiv steuerbaren Öffnungsdurchmessern oder dergleichen.In a preferred embodiment it is provided that the inner tool is designed as a permeable inner tool, in particular as a hollow tube with a permeable circumferential wall, and / or the outer tool is designed as a permeable outer tool, in particular with a permeable circumferential wall. Furthermore, according to a preferred embodiment, the inner tool and / or the outer tool are designed as a permeable membrane, a metallic shape, in particular a sheet metal, with openings, a shape with piezo-adaptively controllable opening diameters or the like.
So kann die Matrixkomponente vorzugsweise durch Öffnungen entlang der Wandung des Innenwerkzeugs bzw. des Außenwerkzeugs hindurchtreten. Des Weiteren können die Öffnungen statisch in dem Innenwerkzeug bzw. dem Außenwerkzeug ausgebildet sein oder adaptierbar sein, beispielsweise piezo-adaptiv bzw. piezoelektrisch steuerbar sein.Thus, the matrix component can preferably pass through openings along the wall of the inner tool or of the outer tool. Furthermore, the openings can be embodied statically in the inner tool or the outer tool or can be adapted, for example piezo-adaptively or piezoelectrically controllable.
Indem auch das Außenwerkzeug permeabel ausgestaltet ist, kann eine zweckmäßige Einbettung der Faserkomponente sichergestellt werden. Insbesondere kann überschüssiges Material der Matrixkomponente entlang der Fliehkrafteinwirkung während der Rotation abgeleitet werden.Since the outer tool is also made permeable, an appropriate embedding of the fiber component can be ensured. In particular, excess material of the matrix component can be diverted along the action of centrifugal force during the rotation.
In einer Ausführungsform weist das System eine Zuführvorrichtung auf zur Zuführung der Matrixkomponente zu einem Innendurchmesser des Innenwerkzeugs, insbesondere zur Einspritzung der Matrixkomponente in den Innendurchmesser des Innenwerkzeugs.In one embodiment, the system has a feed device for feeding the matrix component to an inner diameter of the inner tool, in particular for injecting the matrix component into the inner diameter of the inner tool.
Somit kann eine bedarfsweise Menge der Matrixkomponente in das System eingebracht und verteilt werden, um eine zweckmäßige Einbettung der Faserkomponente zu erzielen.Thus, as required, the matrix component can be introduced into the system and distributed in order to achieve an expedient embedding of the fiber component.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind das Innenwerkzeug und/oder das Außenwerkzeug rotationssymmetrisch ausgebildet, insbesondere sodass das Innenwerkzeug und das Außenwerkzeug konzentrisch zueinander anordbar sind.According to a preferred embodiment, the inner tool and / or the outer tool are designed to be rotationally symmetrical, in particular so that the inner tool and the outer tool can be arranged concentrically to one another.
Alternativ können das Innenwerkzeug und/oder das Außenwerkzeug nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sein, sodass das herzustellende, faserverstärkte Bauteil mit einer beliebigen Formgebung bereitgestellt werden kann.Alternatively, the inner tool and / or the outer tool can not be designed to be rotationally symmetrical, so that the fiber-reinforced component to be produced can be provided with any shape.
Nach einer Ausführungsform ist das Außenwerkzeug einteilig oder mehrteilig ausgebildet.According to one embodiment, the outer tool is designed in one piece or in several pieces.
Indem das Außenwerkzeug mehrteilig ausgebildet sein kann, ist eine Ausformung des hergestellten faserverstärkten Bauteils erleichterbar. Insbesondere kann das Außenwerkzeug mittels eines Scharniers oder einem Fügemechanismus, wie einem oder mehreren Schnappverschlüssen oder dergleichen, zweiteilig ausgebildet sein.The fact that the outer tool can be designed in several parts makes it easier to shape the fiber-reinforced component produced. In particular, the outer tool can be designed in two parts by means of a hinge or a joining mechanism, such as one or more snap locks or the like.
Im Falle der einteiligen Ausbildung des Außenwerkzeuges kann eine konische Ausgestaltung des Außenwerkzeuges zur verbesserten Entformung vorgesehen sein.In the case of the one-piece design of the outer tool, a conical design of the outer tool can be provided for improved demolding.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Spritzschutzeinheit vorgesehen, die das rotierende Außenwerkzeug, die Faserkomponente und das Innenwerkzeug derart umgibt, dass ein überschüssiger, austretender Teil der Matrixkomponente auffangbar ist, insbesondere umfangsseitig auffangbar ist.According to a further embodiment, a splash guard unit is provided which surrounds the rotating outer tool, the fiber component and the inner tool in such a way that an excess, emerging part of the matrix component can be caught, in particular on the circumference.
Aus dem vorzugsweise permeablen Außenwerkzeug während der Rotation austretender Matrixwerkstoff kann auf diese Weise mittels der Spritzschutzeinheit aufgefangen und wiederverwendet werden.Matrix material emerging from the preferably permeable outer tool during the rotation can in this way be collected and reused by means of the splash protection unit.
Im Folgenden werden Details der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele gemäß den beigefügten Zeichnungen näher erläutert.In the following, details of the present invention are explained in more detail with reference to exemplary embodiments according to the accompanying drawings.
Es zeigen schematisch:
-
1 perspektivischer Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen; -
2 Draufsicht eines Querschnitts des Ausführungsbeispiels gemäß1 ; -
3 Seitenansicht eines Querschnitts des Ausführungsbeispiels gemäß1 ; -
4 perspektivische Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels gemäß1 ; -
5a perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß1 ; und -
5b weitere perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß1 .
-
1 perspective detail of an embodiment of a system for the production of fiber-reinforced components; -
2 Top view of a cross section of the embodiment according to FIG1 ; -
3 Side view of a cross section of the embodiment according to1 ; -
4th perspective exploded view of the embodiment according to1 ; -
5a perspective illustration of the embodiment according to1 ; and -
5b further perspective illustration of the embodiment according to FIG1 .
In
Das System
Das Innenwerkzeug
Des Weiteren ist das System
Zwischen dem Innenwerkzeug
Insbesondere wird die Faserkomponente
Gemäß
Das Innenwerkzeug
Indem eine zweckmäßige erste Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit des Innenwerkzeugs
Des Weiteren ist mittels einer zweiten Drehzahl, im Anschluss an das initiale Einbringen der Matrixkomponente
In
Gemäß
Des Weiteren veranschaulicht
Sobald sich die Matrixkomponente
Die Öffnungen
Die Faserkomponente
Gemäß
Über die Zuführvorrichtung
Gemäß
Die Faserkomponente
Sobald das Außenwerkzeug
In
Insbesondere aus
Auf diese Weise kann die Matrixkomponente
Zusammenfassend können anhand der vorliegenden Erfindung faserverstärkte Bauteile, insbesondere Kunststoffbauteile, auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden, wobei hohe qualitative Anforderungen an Faseranteile, Formmaße der Bauteile und damit verbundene, enge Toleranzbereiche reproduzierbar erfüllt bzw. eingehalten werden können.In summary, with the aid of the present invention, fiber-reinforced components, in particular plastic components, can be produced in a simple and inexpensive manner, with high qualitative requirements on fiber proportions, dimensional dimensions of the Components and the associated narrow tolerance ranges can be reproducibly fulfilled or adhered to.
Des Weiteren ist eine hohe Qualität der Bauteile erzielbar, indem die wenigstens eine Faserkomponente bzw. deren einzelnen Faseranteile im Zuge der rotatorischen Bewegung während der Einbettung in die Matrixkomponente gestreckt und gezielt ausgerichtet sind.Furthermore, a high quality of the components can be achieved in that the at least one fiber component or its individual fiber portions are stretched and specifically aligned in the course of the rotational movement during embedding in the matrix component.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Systemsystem
- 22
- ZuführvorrichtungFeeding device
- 2a2a
- Auffang behälter/VorratsbehälterCollecting container / storage container
- 44th
- SpritzschutzeinheitSplash protection unit
- 1010
- InnenwerkzeugInternal tool
- 1212th
- Öffnungen des InnenwerkzeugsInner tool openings
- 2020th
- AußenwerkzeugOutside tool
- 20a20a
- Scharnier/Fügespalt des AußenwerkzeugsHinge / joint gap of the outer tool
- 2222nd
- Öffnungen des AußenwerkzeugsOuter tool openings
- 3030th
- MatrixkomponenteMatrix component
- 4040
- FaserkomponenteFiber component
- 4242
- erste Faserschichtfirst fiber layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 3103624 B1 [0004]EP 3103624 B1 [0004]
- EP 0360758 B1 [0004]EP 0360758 B1 [0004]
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-
2019
- 2019-11-05 DE DE102019129775.3A patent/DE102019129775A1/en active Pending
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Legal Events
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---|---|---|---|
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R409 | Internal rectification of the legal status completed | ||
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