DE10251581A1 - Manufacture of a shaped textile fiber preform for production of fiber reinforced plastic components comprises placement and orientation of a fiber pre product on a supporting tool - Google Patents
Manufacture of a shaped textile fiber preform for production of fiber reinforced plastic components comprises placement and orientation of a fiber pre product on a supporting toolInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen textiler Vorformlinge (Preforms) aus textilen Halbzeugen (Vorprodukten), wobei die Vorformlinge insbesondere für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen vorgesehen sind, die vorzugsweise unter Verwendung eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur sowie gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet werden. The invention relates to a method for producing textile preforms. from semi-finished textile products (preliminary products), the preforms especially for Manufacture of fiber reinforced plastics are provided, preferably using a matrix system soaked with an adhesive resin and under elevated temperature and, if necessary, increased pressure.
Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffe kommen unterschiedliche textile Vorprodukte, im folgenden auch Halbzeuge genannt, zur Anwendung. Neben Geweben und Geflechten können Vliesstoffe und andere textile Flächengebilde eingesetzt werden. Anschließend können diese Halbzeuge in unterschiedlichen Verarbeitungsprozessen konfektioniert und miteinander kombiniert und verbunden werden. Die dabei entstandenen Vorformlinge (sog. Preforms) werden schließlich mit einem Matrixsystem getränkt und meist unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur ausgehärtet. Different textiles are used in the manufacture of fiber-reinforced plastics Intermediate products, hereinafter also called semi-finished products, for use. In addition to tissues and braids can use nonwovens and other textile fabrics become. These semi-finished products can then be made in different ways Processing processes are assembled and combined with each other and connected. The one there Preforms that have arisen are finally covered with a Soaked matrix system and mostly cured under increased pressure and temperature.
Heute werden textile Vorprodukte wie z. B. Gewebe und Geflechte am Ende des Herstellprozesses in oder auf einen Zwischenträger aufgebracht. Bei Geflechten kann es sich dabei z. B. um zylindrische Körper handeln, um die diese umlaufend bahnförmig aufgewickelt werden. Die Geometrie dieser Träger dient nicht zum Vor- oder Umformen der Halbzeuge sondern lediglich als Hilfsmittel zum Transport und zur Lagerung. Today, textile intermediate products such as B. Tissues and braids at the end of Manufacturing process applied in or on an intermediate carrier. With braids can it be z. B. act cylindrical bodies around which these be wound up in a web. The geometry of these beams is not used for or reshaping the semi-finished products but only as an aid to transport and for storage.
Im Laufe des weiteren Herstellungsprozesses werden die Halbzeuge von dem Zwischenträgerkörper wieder entnommen, konfektioniert und anschließend durch Umorientierung und Umformung des Fasergebildes in die gewünschte Form (sog. Preform) gebracht. Hierbei sind einige Faserorientierungen durch den Herstellungsprozess fixiert und können nachträglich nicht mehr beeinflusst werden. Aus diesem Grund sind bestimmte Bauteilgeometrien mit Halbzeugen, die vorher auf Zwischenträgern aufgebracht wurden, nicht mehr abzubilden, obwohl der eigentliche Herstellprozess diese Geometrie ermöglichen würde. In the course of the further manufacturing process, the semi-finished products from the Intermediate carrier body removed again, assembled and then by Reorientation and reshaping of the fiber structure into the desired shape (so-called Preform). Here are some fiber orientations through the Manufacturing process fixed and can no longer be influenced later. For this reason, certain component geometries with semi-finished products are based on those previously mentioned Intermediate carriers were applied, no longer depict, although the actual manufacturing process would enable this geometry.
In Gebrauch sind auch kontinuierliche Verfahren, bei denen das Vorprodukt direkt nach dem Flächenbildungsprozess dem weiteren Herstellprozess zugeführt wird. Die mögliche Umorientierung und Umformung des textilen Halbzeuges geschieht jedoch ohne das der vorgeschaltete Flächenbildungsprozess darauf aktiv ausgerichtet ist. Continuous processes in which the preliminary product is direct are also in use is fed to the further manufacturing process after the surface formation process. The possible reorientation and reshaping of the semi-finished textile happens without the upstream surface formation process being actively geared towards this.
Eine Ausnahme bildet das Umflechten von Kernen, wobei die Kerne einer gewünschten Geometrie von außen umflochten werden, um eine gewünschte Faserorientierung zu erzielen. Die verwendeten Kerne können danach entfernt werden. Die Verwendung von Kernen erlaubt allerdings nur bestimmte Geometrien der Vorprodukte. Außerdem sind die Kerngeometrie und deren Abmaße begrenzt. An exception is the braiding of cores, where the cores are one desired geometry are braided from the outside to a desired To achieve fiber orientation. The used cores can then be removed become. However, the use of cores only allows certain geometries of the preliminary products. In addition, the core geometry and its dimensions are limited.
Eine weitere Ausnahme sind sogenannte Rund- oder Spiralgewebe, in denen die Länge einzelner Fadensysteme (z. B. Kettfäden) variabel gestaltet wird, wodurch eine Richtungsänderung des Halbzeuges in der Ebene erzielt wird. Another exception are so-called round or spiral fabrics, in which the The length of individual thread systems (e.g. warp threads) is variable, which means that Direction change of the semi-finished product is achieved in the plane.
Die Fixierung von Vorprodukten kann mit Hilfe eines Binders geschehen. Bei den verwendeten Bindersystemen handelt es sich hauptsächlich um thermoplastische Substanzen, die z. B. pulverförmig auf das Halbzeug aufgebracht und unter Temperatureinfluss aktiviert werden. Neben einer Festlegung der Faserorientierung können die Bindersysteme dazu verwendet werden, die Preforms in einem kompaktierten Zustand zu fixieren. Pre-products can be fixed with the help of a binder. Both The binder systems used are mainly thermoplastic Substances that e.g. B. applied in powder form to the semi-finished product and under Temperature influence can be activated. In addition to determining the fiber orientation can be used to combine the preforms in one to fix compacted state.
Bei der Flechttechnik kann das zweidimensionale und dreidimensionale Flechten unterschieden werden. Das dreidimensionale Flechten ermöglicht es Halbzeuge mit einer definierten Querschnittsgeometrie zu erstellen, die auch während des Herstellprozesses verändert werden kann. Durch voneinander unabhängige Führung der einzelnen Fäden des Geflechts können z. B. L- oder U-förmige Querschnitte der Vorprodukte erzeugt werden. Die entstehenden Fasergebilde sind endkonturnah und weisen ein mäßiges Drapierverhalten auf. Das zweidimensionale Flechten wird in sog. Rundflechtmaschinen realisiert. Bei dem dabei entstehenden Halbzeug handelt es sich um ein schlauchförmiges Gebilde, in das keine Fasern mit einer Orientierung in radialer Richtung (90° zur Oberfläche des Schlauchs) eingebracht werden können. Braiding technology can do two-dimensional and three-dimensional braiding be distinguished. The three-dimensional braiding enables semi-finished products to create a defined cross-sectional geometry that can also be used during the Manufacturing process can be changed. Through independent leadership of the individual threads of the braid z. B. L- or U-shaped cross sections of the Preproducts are generated. The resulting fiber structures are close to the final contour and have moderate draping behavior. The two-dimensional braiding is in so-called circular braiding machines realized. The resulting semi-finished product deals it is a tubular structure in which there are no fibers with an orientation can be introduced in the radial direction (90 ° to the surface of the hose).
Zweidimensionale Geflechte sind gut drapierbar und können als flaches oder schlauchförmiges Halbzeug weiterverarbeitet werden. Während des Flechtvorgangs ist es möglich, durch Umfiechten von Kerngeometrien definierte Faserorientierungen und Halbzeuggeometrien zu erreichen. Durch das Einbringen gestreckter Fasern (sog. Stehfäden) in Abzugsrichtung wird die Drapierfähigkeiten in einigen Raumrichtungen vermindert. Two-dimensional braids are well draped and can be used as flat or tubular semi-finished products can be processed. During the braiding process it is possible to define fiber orientations by rewrapping core geometries and to achieve semi-finished product geometries. By introducing stretched fibers (so-called standing threads) in the pull-off direction will drape in some Spatial directions reduced.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein bauteilangepasstes Fertigungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem nach unterschiedlichen textilen Verfahren hergestellte zwei- oder dreidimensionale Halbzeuge für die textilen Vorformlinge verwendet werden können. The invention is based on the object, a component-adapted To create manufacturing processes of the type mentioned, in which according to different Textile process manufactured two or three-dimensional semi-finished products for the textile Preforms can be used.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die textilen Halbzeuge jeweils auf einem Träger mit einer den späteren Vorformlingen entsprechenden Kontur bzw. angepassten Geometrie aufgebracht werden, und dass am Ende eines flächenbildenden Textilprozesses die noch nicht endgültig fixierten Fasern der textilen Halbzeuge durch einen Umform- und Drapiervorgang in eine gewünschte Orientierung gebracht werden. The object is achieved in that the textile semi-finished products each on a carrier with a corresponding to the later preforms Contour or adapted geometry are applied, and that at the end of a surface-forming textile process, the fibers of the semi-finished textile products through a forming and draping process into a desired one Orientation.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Halbzeuge nicht erst auf Zwischenträger aufgebracht werden, sondern auf einen Träger, der eine dem späteren Bauteil oder Vorformling angepasste Kontur aufweist. Dabei ist eine Interaktion, d. h. eine Wechselbeziehung, zwischen dem Flächenbildungsprozess und dem Umform- bzw. Drapierprozeß möglich, so dass z. B. die unterschiedlichen Abzugslängen von Stehfäden beim Umformen in eine Scheibe berücksichtigt werden können. Durch Umformen und Drapieren werden vorteilhafterweise noch verschiebbare Fasern in eine gewünschte Orientierung gebracht. Im Unterschied zum Flechten um Kerne, sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren andere Faserorientierungen und Geometrien möglich. Die Abmaße der Vorformlinge und deren Geometrie sind weit weniger eingeschränkt. Z. B. können zylindrische Vorformlinge mit in Abzugsrichtung über 360°-umlaufenden Fasern gefertigt werden. A major advantage of the invention is that the semi-finished products are not the first be applied to the intermediate carrier, but to a carrier that the one later adapted component or preform has adapted contour. There is one Interaction, d. H. an interrelation between the area formation process and the forming or draping process possible, so that z. B. the different Pull-off lengths of standing threads are taken into account when forming into a disc can. By reshaping and draping are advantageously still slidable fibers brought into a desired orientation. Unlike braiding around cores, are other fiber orientations with the inventive method and geometries possible. The dimensions of the preforms and their geometry are far less restricted. For example, cylindrical preforms with in Draw-off direction can be made using 360 ° circumferential fibers.
Es ist also vorteilhafterweise möglich, den Zwischenschritt des Aufbringens des Halbzeuges auf einen Zwischenträger auszulassen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Flächenbildungsprozess und Umformprozess verbunden, so dass Geometrien realisiert werden können, die mit den herkömmlichen Herstellprozessen nicht möglich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Zustand, dass am Ende des flächenbildenden Textilprozesses die Fasern noch nicht endgültig fixiert sind. Durch Umformen und Drapieren werden die an diesem Punkt noch verschiebbaren Fasern in eine gewünschte Orientierung gebracht. Diese Orientierung kann z. B. durch einen, in der Geometrie angepassten Zwischenträger realisiert werden. Das Wegfallen des Zwischenschritts hat den Vorteil, dass Beschädigung und Ondulation der Fasern durch Handhabungen verringert werden können. It is therefore advantageously possible to carry out the intermediate step of applying the Omit semi-finished product on an intermediate carrier. In the invention Procedures are combined surface formation process and forming process, so that Geometries can be realized using the conventional manufacturing processes are not possible. The inventive method uses the state that on At the end of the surface-forming textile process, the fibers have not yet been finally fixed are. By reshaping and draping they are still at this point slidable fibers brought into a desired orientation. This orientation can z. B. can be realized by an intermediate carrier adapted in geometry. The elimination of the intermediate step has the advantage that damage and Ondulation of the fibers can be reduced by manipulations.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben.
Hierbei wird berücksichtigt, dass schon während des Flechtens die Fasern durch
entsprechende Umformhilfen und Führungen vororientiert werden können. Der direkt an
den textilen Herstellungsprozess anschließende Umform- und Drapiervorgang ist
durch unterschiedliche Verfahren und Werkzeuge realisierbar. Denkbar sind z. B.:
- A) Ziehen durch ein oder entlang eines Umformwerkzeug (Matrize), das den Querschnitt und z. T. auch die Faserorientierung verändert (z. B. ermöglicht eine gekrümmte Matrize das Drapieren der Stehfäden im Flechtschlauch).
- B) Wickeln auf einen Umformwerkzeug (Matrize), das den Querschnitt und z. T. auch die Faserorientierung verändert.
- C) Pressen oder Drücken in oder entlang eines Umformwerkzeuges (Matrize), das den Querschnitt und z. T. auch die Faserorientierung verändert.
- A) pulling through or along a forming tool (die), the cross-section and z. T. also changed the fiber orientation (e.g. a curved matrix allows the standing threads to be draped in the braided sleeve).
- B) winding on a forming tool (die), the cross section and z. T. also changed the fiber orientation.
- C) pressing or pressing in or along a forming tool (die), the cross-section and z. T. also changed the fiber orientation.
Neben dem Umformen und Drapieren kann das Halbzeug gleichzeitig kompaktiert werden. In addition to forming and draping, the semi-finished product can be compacted at the same time become.
Die Fixierung der Fasern kann nach dem Umform- und Drapierungsvorgang über die
Fasern selbst, einen Binder oder über ein Matrixsystem geschehen:
- a) Fixierung durch die Fasern selbst: Durch die Reibung, die die Fasern gegeneinander haben, wird ein Verrutschen verhindert.
- b) Fixierung durch Binder: Durch Einbringen eines Binders vor, während oder nach dem Umform- bzw. Drapierungsvorganges werden die Fasern fixiert.
- c) Fixieren durch Matrixmaterial: Vor, während oder nach dem Umform- bzw. Drapierungsvorganges wird der Matrixwerkstoff in die Fasern eingebracht und
- d) teilweise oder vollständig gehärtet oder die Viskosität des Harzes herabgesetzt. Dieses ermöglicht die Fixierung der Fasern.
- a) Fixation by the fibers themselves: The friction that the fibers have against each other prevents them from slipping.
- b) Fixation by binder: The fibers are fixed by introducing a binder before, during or after the shaping or draping process.
- c) Fixation by means of matrix material: before, during or after the shaping or draping process, the matrix material is introduced into the fibers and
- d) partially or completely hardened or the viscosity of the resin reduced. This enables the fibers to be fixed.
Für das erfindungsgemäße Verfahren sind grundsätzlich viele unterschiedliche textile
Herstellungsverfahren denkbar, beispielsweise:
- a) Textile Herstellungsverfahren für zweidimensionale Gebilde (z. B. 2D-Weben, 2D- Wirken, Stricken, 2D-Flechten, Vliesstoffe) oder
- b) Textile Herstellungsverfahren für dreidimensionale Gebilde (z. B. 3D-Weben, Abstandsgewirke, Stricken, 3D-Flechten)
- a) Textile manufacturing processes for two-dimensional structures (e.g. 2D weaving, 2D knitting, knitting, 2D braiding, nonwovens) or
- b) Textile manufacturing processes for three-dimensional structures (e.g. 3D weaving, spacer fabrics, knitting, 3D braiding)
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt: In the drawing, an embodiment according to the invention is shown, and shows:
Fig. 1 ein Blockdiagramm für einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und Fig. 1 is a block diagram for a flow of a method according to the invention, and
Fig. 2a und 2b eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 1 in Vorder- und Seitenansicht. Fig. 2a and 2b show a device for carrying out the method according to Fig. 1 in front and side view.
In Fig. 1 sind zur Erklärung des allgemeinen Konzeptes am Beispiel eines Flechtprozesses folgende Verfahrensschritte in Form von Blöcken zum Herstellen eines textilen Vorformlings aus einem textilen Halbzeug (Vorprodukt) zeichnerisch dargestellt: Flechtprozess 1 für ein lockeres und drapierfähiges Vorgeflecht 2; möglicher Auftrag 3 eines Binders auf das Vorgeflecht, z. B. pulverförmigen Binders; Umform- bzw. Drapiervorgang 4 des Vorgeflechts 2; Fixieren 5 des Vorgeflechts 2 zu einem textilen Halbzeug; Aufbringen 6 des textilen Halbzeuges auf einen Träger sowie anschließende Verarbeitung 7 des Halbzeuges zu einem textilen Vorformling, der für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffgegenstandes vorgesehen ist. Zwischen dem Flechtprozess 1, d. h. dem Flächenbildungsprozess 1, und dem Umform- bzw. Drapiervorgang 4 kann eine Wechselwirkung stattfinden, welches durch die Verbindungslinie 8 verdeutlicht ist. In Fig. 1, the following process steps in the form of blocks for producing a textile preform from a semi-finished textile (preliminary product) are shown in the drawing to explain the general concept using the example of a braiding process: Braiding process 1 for a loose and drapable pre-braid 2 ; possible order 3 of a binder on the pre-braid, e.g. B. powdered binder; Forming or draping process 4 of the braid 2 ; Fixing 5 of the pre-braid 2 to a semi-finished textile; Application 6 of the semi-finished textile to a carrier and subsequent processing 7 of the semi-finished product to a textile preform, which is provided for the production of a fiber-reinforced plastic article. An interaction can take place between the braiding process 1 , ie the surface formation process 1 , and the forming or draping process 4 , which is illustrated by the connecting line 8 .
Die aus Fig. 2a und Fig. 2b ersichtliche prinzipielle Vorrichtung, neben der auch andere Vorrichtungsbeispiele möglich sind, zeigt ein rotierendes Träger- und Umformwerkzeug 9, welches eine Trommel 10 mit einer seitlich an der Trommel 10 befestigten Begrenzungsscheibe 11 aufweist, deren Durchmesser über den Durchmesser der Trommel 10 hinausgeht. Auf die Trommel 10 wird das lockere, drapierfähige und eventuell mit einem Binderauftrag versehene Vorgeflecht 2 aufgelegt, wo- bei die Trommel 10 gleichzeitig zur fixierten Lagerung des Vorgeflechtes 2 als auch zum Transport des umgeformten Halbzeuges dient. Wie aus Fig. 2b zu entnehmen ist, können zusätzliche Unform- und Anpressrollen 12 für das Halbzeug vorgesehen sein, die gegebenenfalls auch mit einer Heiz- oder auch Kühlvorrichtung für den Binder ausgerüstet sind. Wie der Fig. 2b weiterhin zu entnehmen ist, können Stehfäden, d. h. gestreckte Fasern, gleicher Länge 13 auf dem Umfang der Trommel 10 angeordnet sein, während Stehfäden mit variabler Länge 14 an der überstehenden Ringfläche der Begrenzungsscheibe 11 anliegen. The From Fig. 2a and Fig. 2b apparent principal device, in addition to the other device examples are possible, showing a rotating carrier and forming tool 9, comprising a drum 10 with a laterally attached to the drum 10 limiting plate 11 whose diameter over the Diameter of the drum 10 goes out. Which is on the drum 10 loose, drapable and possibly provided with a binder application Vorgeflecht 2 placed, WO at the drum 10 at the same time to the fixed bearing of the Vorgeflechtes 2 and serves to transport the deformed semi-finished product. As can be seen from Fig. 2b, additional deforming and pressing rollers 12 can be provided for the semi-finished product, which are optionally also equipped with a heating or cooling device for the binder. As can also be seen from FIG. 2b, standing threads, ie stretched fibers, of the same length 13 can be arranged on the circumference of the drum 10 , while standing threads of variable length 14 rest against the projecting annular surface of the limiting disk 11 .
Ein ähnliches Prinzip wird auch bei der Webtechnik angewendet, in dem die Länge
einzelner Fadensysteme (z. B. Kettfäden) variabel gestaltet wird. Somit wird eine
Richtungsänderung in der Ebene der textilen Fläche erzielt. Eine solche Technik wird
für sogenannte Rund- oder Spiralgewebe angewandt. Allerdings geschieht diese
Richtungsänderung ausschließlich in einer Ebene. Das neue Konzept würde durch
Umformen und Drapieren direkt nach dem Webprozess auch eine dreidimensionale
Halbzeuggeometrie zulassen.
Bezugszeichenliste
1 Flechtprozess
2 Vorgeflecht
3 Binderauftrag
4 Umform- bzw. Drapiervorgang
5 Fixieren des Vorgeflechtes
6 Aufbringen des textilen Halbzeuges
7 Verarbeitung des Halbzeuges
8 Verbindungslinie für Wechselwirkung
9 Träger- und Umformwerkzeug
10 Trommel
11 Begrenzungsscheibe
12 Umform- und Anpressrollen
13 Stehfäden gleicher Länge
14 Stehfäden mit variabler Länge
A similar principle is also used in weaving technology, in which the length of individual thread systems (e.g. warp threads) is designed to be variable. A change of direction in the plane of the textile surface is thus achieved. Such a technique is used for so-called round or spiral fabrics. However, this change of direction only occurs on one level. The new concept would also allow a three-dimensional semi-finished product geometry by shaping and draping directly after the weaving process. LIST OF REFERENCES 1 braiding
2 pre-braid
3 binder order
4 Forming or draping process
5 Fix the pre-braid
6 Application of the semi-finished textile
7 Processing of the semi-finished product
8 Connection line for interaction
9 Carrier and forming tool
10 drum
11 washer
12 forming and pressure rollers
13 standing threads of the same length
14 standing threads with variable length
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