DE19803965A1 - Fiber-reinforced hollow thermoplastic product manufacture for high stress applications - Google Patents

Fiber-reinforced hollow thermoplastic product manufacture for high stress applications

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Abstract

An inflatable balloon (2) is located inside a multilayer flat fiber-reinforced plastic preform (1) and the assembly is heated while still flat. The balloon is then pressurized (p) to expand both balloon and preform to form a hollow product. Preferred Features: Elastic polymer films (4) enclose the preform (1) and after heating the preform and films are transferred into a mold (9,10) heated to a temperature below the melting point of the thermoplastic matrix before inflating the balloon (2). The balloon (2) may either stretch or flow when heated and can be either reused or remain in the hollow product. The preform may be consolidated by vacuum and/or external pressure during heating to enhance fiber impregnation. The pressurizing medium can be used for cooling.

Description

Anwendungsgebietfield of use

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Verfahren kann überall dort angewandt werden, wo Hohlkörper mit unterschiedlicher Wanddicke und definierter Außenfläche benötigt werden.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1. The method can be used wherever hollow bodies have different wall thickness and defined outer surface are required.

Stand der TechnikState of the art

Hohlkörper werden derzeit bereits in den unterschiedlichsten Verfahren hergestellt. Unterschieden werden können die unterschiedlichen Anwendungen vor allem durch den Volumengehalt und die Länge der Fasern, die den Kunststoff verstärken.Hollow bodies are currently manufactured in a wide variety of processes. The different applications can be differentiated primarily by the volume and length of the fibers that reinforce the plastic.

Aus dem Bereich der unverstärkten Hohlkörper ist das Verfahren des Extrusionsblasformens am weitesten verbreitet. Hierbei wird die Kunststoffschmelze kontinuierlich zu einem Vorformling extrudiert und anschließend zyklisch mittels Blasluft in ein mehrteiliges Werkzeug geblasen. Dabei können thermoplastische Bauteile mit guter Oberflächenqualität und hoher Maßhaltigkeit der äußeren Oberfläche erzeugt werden. Die Wanddicke stellt sich vornehmlich durch das Verstrecken des Vorformlings ein, kann jedoch durch eine geeignete Steuerung des Extruders und Gestaltung der Extrusionsdüse beeinflußt werden. Eine lokale Wanddickenerhöhung zur Krafteinleitung o. ä. ist derzeit jedoch noch nicht möglich.From the field of unreinforced hollow bodies, the process of Extrusion blow molding is the most common. Here, the plastic melt continuously extruded into a preform and then cyclically using blown air blown into a multi-part tool. Thereby thermoplastic components can good surface quality and high dimensional accuracy of the outer surface become. The wall thickness arises primarily from the stretching of the preform one, but can be done by appropriate control of the extruder and design of the Extrusion nozzle can be influenced. A local increase in wall thickness for Force transmission or the like is not yet possible.

Hohlkörper mit Kurz- und Langfaserverstärkung und ebenfalls guter äußerer Oberfläche können durch das Schleuderverfahren hergestellt werden. Dieses, insbesondere im Anlagenbau etablierte Verfahren ist sowohl mit duroplastischen als auch mit thermoplastischen Kunststoffen möglich und führt ebenfalls zu Hohlkörpern mit guter Außenoberfläche. Eine gezielte Faserorientierung zur lastorientierten Verstärkung des Hohlkörpers ist aufgrund der Verfahrensführung und der Faserlänge jedoch nicht möglich.Hollow body with short and long fiber reinforcement and also good outer Surfaces can be produced using the centrifugal process. This, Processes established in plant engineering in particular are both with thermosetting also possible with thermoplastics and also leads to hollow bodies with a good outer surface. A targeted fiber orientation for load-oriented Reinforcement of the hollow body is due to the procedure and the fiber length however not possible.

Um Hohlkörper gezielt lastgerecht verstärken zu können, sind Verfahren nötig, die eine Endlosfaserverstärkung der Bauteile ermöglichen. Das am weitesten Verbreitung gefundene Verfahren ist hier das Wickelverfahren mit Rovings, Bändern oder Gelegen. Hierbei werden getränkte Fasern abgezogen und auf einem rotierenden Kern abgelegt. In order to be able to reinforce hollow bodies in a targeted manner in accordance with the load, processes are necessary Enable continuous fiber reinforcement of the components. The most widespread The process found here is the winding process with rovings, ribbons or scrims. Soaked fibers are removed and placed on a rotating core.  

Vorteil dieses Verfahrens ist die Automatisierbarkeit und die gezielte Faserablage. Bei komplexeren Strukturen erweist sich jedoch die Entformung des Kerns als sehr aufwendig. Während in diesem Verfahren sowohl thermoplastische als auch duroplastische Kunststoffe verarbeitet werden können, erweist sich die Ablage auf einem Kern als nachteilig für die Oberflächenqualität. Die Wanddicke des Bauteils kann im voraus nicht genau bestimmt werden, wodurch meist eine Nachbearbeitung der Oberfläche notwendig wird.The advantage of this process is that it can be automated and the targeted fiber placement. At However, the demolding of the core proves to be very complex complex. While in this process both thermoplastic as well The shelf proves to be able to process thermosetting plastics a core as a disadvantage for the surface quality. The wall thickness of the component can cannot be precisely determined in advance, which usually results in post-processing of the Surface becomes necessary.

Eine gezielte Faserorientierung bei gleichzeitig guter Oberflächenqualität der Außenfläche wird durch das Schlauchblasen mit thermoplastischen oder duroplastischen Prepregs möglich. Hierbei wird ein Blasschlauch mit vorimprägnierten Halbzeugen belegt und in die Kavität des Werkzeugs eingelegt. Die Werkzeuge werden vorgeheizt, damit sich die Viskosität des Matrixwerkstoffes schnell reduziert.A targeted fiber orientation with a good surface quality at the same time The outer surface is made by blowing with thermoplastic or thermosetting prepregs possible. Here, a blow hose is pre-impregnated Semi-finished products are loaded and inserted into the cavity of the tool. The tools are preheated so that the viscosity of the matrix material is reduced quickly.

Anschließend wird der Blasschlauch mit Innendruck belastet, wodurch die Prepregs an die Innenfläche des Werkzeugs gedrückt werden. Duroplastische Halbzeuge härten nach dem Aufheizen und dem Start der Vernetzungsreaktion im Werkzeug aus, wogegen thermoplastische Matrixsysteme nach dem Aufschmelzen und Konsolidieren abkühlen müssen, um sich zu verfestigen. Dazu ist ein Abkühlen des Werkzeuges nötig. Dies führt zwar zu guten Oberflächenqualitäten, jedoch auch zu relativ langen Zykluszeiten.Then the blow hose is loaded with internal pressure, causing the prepregs to the inner surface of the tool. Harden semi-finished thermosets after heating and starting the crosslinking reaction in the tool, whereas thermoplastic matrix systems after melting and consolidation need to cool down to solidify. This includes cooling the tool necessary. This leads to good surface qualities, but also to relatively long ones Cycle times.

Beim kombinierten Schlauchblas-RTM Verfahren werden trockene Verstärkungshalbzeuge um einen Blasschlauch gelegt und in ein mehrteiliges Werkzeug drapiert. Anschließend wird hier jedoch nur das trockene Verstärkungshalbzeug durch die Druckbeaufschlagung des Blasschlauchs an der Werkzeugkavität angelegt. Anschließend wird der Kunststoff mittels RTM-Verfahren injiziert und das Verstärkungsmaterial getränkt. Dadurch ist ebenfalls eine Herstellung von Hohlkörpern mit gerichteten, endlosen Fasern und guter Oberflächenqualität möglich. Aufgrund der hohen Viskosität thermoplastischer Kunststoffe ist dieses Verfahren derzeit jedoch auf die Verarbeitung duroplastischer Kunststoffe beschränkt. The combined hose-blowing RTM process is dry Reinforcement semi-finished products placed around a blow hose and in a multi-part Tool drapes. Afterwards, however, only the dry one becomes here Reinforcement semi-finished product by pressurizing the blow hose on the Tool cavity created. The plastic is then removed using the RTM process injected and the reinforcing material soaked. This is also a manufacture of hollow bodies with directed, endless fibers and good surface quality possible. This is due to the high viscosity of thermoplastics However, the method is currently limited to the processing of thermosetting plastics.  

Nachteile des Standes der TechnikDisadvantages of the prior art

Folgende Eigenschaften von Hohlkörpern sind für spezielle Anwendungen wünschenswert:
The following properties of hollow bodies are desirable for special applications:

  • - Eine gerichtete Faserverstärkung mit endlosen Fasern- Directional fiber reinforcement with endless fibers
  • - eine gute Oberflächenqualität der Bauteile,- a good surface quality of the components,
  • - Herstellung mit kurzer Zykluszeit,- production with a short cycle time,
  • - Matrixmaterial aus thermoplastischem Kunststoff und- Matrix material made of thermoplastic and
  • - die Möglichkeit lokale Wanddickenunterschiede für Krafteinleitungsbereiche zu integrieren.- The possibility of local wall thickness differences for force application areas integrate.

Keines der im Stand der Technik aufgelisteten Verfahren kann derzeit alle diese Eigenschaften gleichzeitig und in einem Schritt: realisieren.None of the methods listed in the prior art can currently do all of these Properties at the same time and in one step: Realize.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

  • - Einfaches Handling der Preforms/Halbzeuge in flächigem Zustand- Easy handling of the preforms / semi-finished products in flat condition
  • - Gerichtete Faserverstärkung mit endlosen Fasern- Directional fiber reinforcement with endless fibers
  • - Schnelle Erwärmung des Halbzeugs durch z. B. Kontakt- Rapid heating of the semi-finished product by e.g. B. Contact
  • - Möglichkeit zur Konsolidierung des Halbzeugs (Druck, Temperatur, Vakuum, Zeit)- Possibility to consolidate the semi-finished product (pressure, temperature, vacuum, time)
  • - Einfache Umformung zu einem Hohlkörper- Easy forming into a hollow body
  • - Möglichkeit lokaler Wanddickenunterschiede für Krafteinleitungsbereiche- Possibility of local wall thickness differences for force application areas
  • - Schnelle Abkühlung thermoplastischer Bauteile- Rapid cooling of thermoplastic components
  • - Erreichen guter Oberflächen- achieving good surfaces
Lösung der AufgabeSolution of the task

Die Lösung der Aufgabe wird aus folgender Beschreibung des Verfahrens deutlich.The solution to the problem is clear from the following description of the method.

  • A) Ein endlosfaserverstärktes Halbzeug (Preform [1]) z. B. Gewebe aus Mischfilamenten, die sowohl die verstärkende Faser als auch die thermoplastische Matrix in Form von Filamenten vorliegen haben, wird mit einer Polymerblase [2] im Zentrum versehen, wobei die Polymerblase z. B. bis auf den Anschlußbereich vollständig umgeben wird. In dieser Form ist durch den flächigen Zustand einfaches Lagern und Transportieren möglich.A) An endless fiber-reinforced semi-finished product (preform [ 1 ]) z. B. fabric made of mixed filaments, which have both the reinforcing fiber and the thermoplastic matrix in the form of filaments, is provided with a polymer bubble [2] in the center, the polymer bubble z. B. is completely surrounded except for the connection area. In this form, the flat condition makes it easy to store and transport.

Dieser Aufbau wird von zwei dehnfähigen Polymerfolien (Diaphragmen [4]) eingerahmt, deren Schmelztemperatur bzw. Degradationstemperatur über derjenigen des zu verarbeitenden Kunststoffes liegt. Der Zwischenraum, der jeweils in einem Rahmen [3] abgedichteten Diaphragmen, kann evakuiert werden, wodurch sich eine flächige Struktur des Aufbaus ergibt.This structure is framed by two stretchable polymer films (diaphragms [ 4 ]), whose melting temperature or degradation temperature is higher than that of the plastic to be processed. The space between the diaphragms sealed in a frame [ 3 ] can be evacuated, which results in a flat structure of the structure.

  • B) Anschließend wird der Aufbau auf ein oder zwischen mehrere Heizsysteme (z. B. temperierte Stahlplatten oder IR-Strahler [6]) verfahren und dort in flächigem Zustand über die Schmelzetemperatur des thermoplastischen Halbzeugs aufgeheizt. Bei der Verwendung berührender Heizsysteme [6] kann in dieser Phase das Faserverbundhalbzeug [1] vollständig mit Kunststoffschmelze imprägniert und konsolidiert werden. Dies wird durch das angelegte Vakuum [5a] zwischen den Diaphragmen, das durch die Abdichtung [7] der Diaphragmenrahmen [3] möglich wird, unterstützt.B) The assembly is then moved onto one or between several heating systems (e.g. tempered steel plates or IR radiators [ 6 ]) and heated there in a flat state above the melt temperature of the thermoplastic semi-finished product. When touching heating systems [ 6 ] are used, the semi-finished fiber composite [ 1 ] can be completely impregnated with plastic melt and consolidated in this phase. This is supported by the vacuum [ 5 a] created between the diaphragms, which is made possible by the sealing [ 7 ] of the diaphragm frame [ 3 ].
  • C) Nach dem Aufschmelzen wird der gesamte Aufbau in das ein oder mehrteilige Werkzeug [9, 10] transferiert, das unter die Schmelzetemperatur des Kunststoffes temperiert ist. Nach dem Verriegeln des Werkzeuges mit bekannten Mitteln, wird die Polymerblase mit Hilfe eines Druckmediums [8] (z. B. Druckluft) mit Druck beaufschlagt, wodurch sich die Polymerblase [2] entfaltet und den flachen Preform [1] zu einem dreidimensionalen Körper formt und an die Innenfläche - je nach Oberflächengestaltung - des Werkzeuges preßt. Dadurch zeichnet sich die Oberfläche des Werkzeuges auf dem Bauteil ab, was zu einer hohen Qualität der äußeren Hohlkörperoberfläche führen kann. Ein in das Werkzeug integriertes System [11] paßt je nach Ausführungsform den Spalt zwischen den Werkzeugen so an, daß zum einen ein Nachführen des Preforms [1] in die Kavität möglich ist, zum anderen jedoch zum Ende der Ausformung die Kavität so weit verschlossen ist, daß die gewünschte Geometrie des Hohlkörpers erzeugt werden kann. Das Vakuum [5b] kann in dieser Phase je nach Ausführungsform nicht mehr notwendig sein. Der Aufbau und damit auch das Bauteil kühlt durch den Kontakt mit dem Werkzeug rasch ab. Dies kann durch eine Spühlkühlung der Polymerblase noch weiter beschleunigt werden.C) After melting, the entire assembly is transferred to the one-part or multi-part tool [ 9 , 10 ], which is tempered below the melt temperature of the plastic. After locking the tool with known means, the polymer bubble is pressurized with the aid of a pressure medium [ 8 ] (eg compressed air), which causes the polymer bubble [ 2 ] to unfold and forms the flat preform [ 1 ] into a three-dimensional body and presses against the inner surface - depending on the surface design - of the tool. This shows the surface of the tool on the component, which can lead to a high quality of the outer hollow body surface. Depending on the embodiment, a system [ 11 ] integrated into the tool adjusts the gap between the tools so that, on the one hand, the preform [ 1 ] can be fed into the cavity, but on the other hand, the cavity is closed so far at the end of the molding process that the desired geometry of the hollow body can be generated. Depending on the embodiment, the vacuum [5b] may no longer be necessary in this phase. The structure, and with it the component, cools down quickly when it comes into contact with the tool. This can be further accelerated by cooling the polymer bubble.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch das skizzierte Verfahren werden die Nachteile des Stands der Technik gelöst die Aufgaben der Erfindung erfüllt und die Anforderungen an moderne Hohlkörper befriedigt, was die Vorteile der Erfindung darstellt:
The disadvantages of the prior art are solved by the method outlined, the objects of the invention are achieved and the requirements for modern hollow bodies are satisfied, which represents the advantages of the invention:

  • - Eine gerichtete Faserverstärkung mit endlosen Fasern,- Directional fiber reinforcement with endless fibers,
  • - eine gute Oberflächenqualität der Bauteile,- a good surface quality of the components,
  • - Herstellung mit kurzer Zykluszeit,- production with a short cycle time,
  • - Matrixmaterial aus thermoplastischem Kunststoff und- Matrix material made of thermoplastic and
  • - die Möglichkeit lokale Wanddickenunterschiede für Krafteinleitungsbereiche zu integrieren.- The possibility of local wall thickness differences for force application areas integrate.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für dieses Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern unterschiedlichster Geometrie und Wanddickenverteilung.There are a variety of uses for this method Manufacture of hollow bodies of various geometries and wall thickness distribution.

Einige Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in Bild 1 und Bild 2 dargestellt. 1) Beispiel: Aufheizung als flächiger Preform zwischen zwei dehnfähigen Polymerfolien, Konsolidierung während des Heizens durch den Kontakt mit Heizplatten und Ausformung zu einem kugelförmigen oderzylindrischen Hohlkörper. (Bild 1)
2) Beispiel: Aufheizung als mehrlagiger Verbund flächiger Halbzeuge durch den Kontakt mit temperierten Heizplatten und Ausformung zu einem großflächigen Hohlkörper mit umlaufendem Flansch [12] (Bild 2). Some embodiments of the invention are shown in Figure 1 and Figure 2. 1) Example: heating as a flat preform between two stretchable polymer films, consolidation during heating by contact with heating plates and shaping into a spherical or cylindrical hollow body. ( Pic 1)
2) Example: Heating as a multi-layer composite of flat semi-finished products through contact with tempered heating plates and shaping into a large hollow body with a circumferential flange [ 12 ] ( Figure 2).

BezugszeichenlisteReference list

11

Preform oder flächiges Halbzeug (je nach Ausführungsbeispiel)
Preform or flat semi-finished product (depending on the embodiment)

22nd

Polymerblase
Polymer bubble

33rd

Diaphragmahalterung und Abdichtung
Diaphragm holder and seal

44th

Diaphragma
Diaphragm

55

a Evakuierung des Diaphragmazwischenraumes
a Evacuation of the diaphragm space

55

b Evakuierung zur Unterstützung der Dichtwirkung
b Evacuation to support the sealing effect

66

Heiz/Konsolidiersystem (beispielsweise elektrisch beheizte Stahlplatten)
Heating / consolidation system (e.g. electrically heated steel plates)

77

Dichtung der Diaphragmarahmen
Seal of the diaphragm frame

88th

Hohlraum mit Druckbeaufschlagung durch das Druckmedium
Cavity pressurized by the pressure medium

99

Ein- oder mehrteilige Werkzeughälfte
One or multi-part tool half

1010th

Ein- oder mehrteilige Werkzeughälfte
One or multi-part tool half

1111

Schieber oder ähnliches Dichtungssystem zur Begrenzung der Bauteilgeometrie
Slider or similar sealing system to limit the component geometry

1212th

Umlaufender Flansch am Bauteil
All-round flange on the component

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mit Lang- und/oder Endlosfaserverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß der Preform oder mehrlagige, flächige Halbzeuge mit einer aufblasbaren Polymerblase versehen, in flächigem Zustand erwärmt und durch Beaufschlagung der Polymerblase mit Innendruck zu einem Hohlkörper ausgeformt werden.1. A process for the production of hollow bodies made of thermoplastic materials with long and / or continuous fiber reinforcement, characterized in that the preform or multilayer, flat semifinished products are provided with an inflatable polymer bladder, heated in a flat state and formed into a hollow body by acting on the polymer bladder with internal pressure will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug nach dem Aufschmelzen in ein Werkzeug transferiert wird, das auf eine Temperatur unterhalb der Schmelzetemperatur des Thermoplasten temperiert ist, und der Preform durch das Aufblasen der Polymerblase in die Werkzeuginnenseite geformt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the semi-finished product after melting is transferred to a tool that is at a temperature is tempered below the melt temperature of the thermoplastic, and the Preform formed by inflating the polymer bladder into the inside of the tool becomes. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug nach dem Aufschmelzen gegen den Umgebungsdruck und die Elastizität dehnfähiger, außenliegender Polymerfolien ausgeformt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the semifinished product after melting against the ambient pressure and elasticity more elastic, external polymer films is formed. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase im verwendeten Temperaturbereich dehnfähig ist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Polymer bubble is stretchable in the temperature range used. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase im erwärmten Zustand fließfähig ist.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Polymer bubble is flowable when heated. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase wiederverwendet werden kann.6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Polymer bladder can be reused. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerblase im Hohlkörper verbleibt.7. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Polymer bubble remains in the hollow body. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug während der Aufheizphase durch ein Vakuum konsolidiert wird.8. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Semi-finished product is consolidated by a vacuum during the heating phase. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug während der Aufheizphase durch ein Vakuum und/oder einen Druck von außen konsolidiert wird.9. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Semi-finished products during the heating phase by a vacuum and / or a pressure of is consolidated externally. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium zur Kühlung eingesetzt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Pressure medium is used for cooling.
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