DE202005005475U1 - Thermoformable sandwich composite workpiece for molding three-dimensional products comprises core, fiber reinforced resin and film facing layers enclosed in porous evacuation layers and covering films - Google Patents

Thermoformable sandwich composite workpiece for molding three-dimensional products comprises core, fiber reinforced resin and film facing layers enclosed in porous evacuation layers and covering films Download PDF

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Abstract

The sandwich construction comprises a preform stack with a core layer(5), fiber reinforced unreacted resin layers(2) and film facing layers(3). The sandwich is enclosed by porous evacuation layers(4) and sealed from the outer atmosphere by covering layers(1). Air is evacuated from the sandwich preform before pressing so that it forms more easily on the molding tool and the resin is cured while the preform is in contact with the tool surface. The closed cell core material(5) stiffens the sandwich construction before it is formed onto the tool. Use of an open pored fleece or fabric with suitable extension for air evacuation of the sandwich allows good drapability over the molding tool. Forming is performed at an elevated temperature which permits easy forming of the thermoplastic parts, but does not initiate premature gelation of the resin. An independent claim is included for the heating and forming equipment which also has the capability to form the workpiece against a molding tool face using positive pressure on the outside of the workpiece.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkstück und Vorrichtung zur Schaffung dieses mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Haupanspruches und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The Invention relates to a workpiece and device for providing this with the features of the preamble of the main claim and an apparatus for carrying out the Process.

Zur Formung von Verbundwerkstoffen (Sandwiches oder Composites) ist das Sandwichtiefziehverfahren konzipiert. Es ermöglicht die Formung in einem Schritt.to Forming of composite materials (sandwiches or composites) is designed the sandwich gravure process. It allows shaping in one Step.

Die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen auf Basis von Reaktionsharzen als Matrix und einem Strukturwerkstoff ist seit den 50er Jahres des 20. Jahrhunderts bekannt. Es wird ein Strukturwerkstoff mit einem Reaktionsharz gefüllt und gehärtet. Der dabei entstehende Verbundwerkstoff verbindet dabei die Materialeigenschaften beider Werkstoffe. Als Struktur aufweisen, meistens in Faserform. Es werden im Folgenden nur Faserwerkstoffe betrachtet. Die Matrix übernimmt in diesem Verbundwerkstoff die Funktion der Verbindung der Fasern in bringt ihre mechanischen Eigenschaften in den Verbundwerkstoff mit ein. Oft erfüllt die Matrix die Funktion, die Zähigkeit des Verbundwerkstoffs zu erhöhen.The Processing of composites based on reactive resins as a matrix and a structural material since the 50s known in the 20th century. It will be a structural material with filled a reaction resin and hardened. The resulting composite material combines the material properties both materials. To have a structure, mostly in fiber form. Only fiber materials will be considered below. The matrix takes over in this composite the function of connecting the fibers in brings with it its mechanical properties in the composite material one. Often fulfilled the matrix the function, the toughness of the composite material.

Zur Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen wird der Werkstoff in Lagen in eine Form aufgetragen. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten. Die einfachste ist, die Lagen per Hand aufzutragen und mit einer Rollen aneinanderzudrücken und Lufteinschlüsse zu entfernen.to Production of components made of composite materials is the material applied in layers in a mold. There are several possibilities for that. The The easiest way is to apply the layers by hand and with a roller another push and air pockets to remove.

Des weiteren kann der Aufbau mit einem Folien-/ Vließaufbau vakuumdicht verschlossen werden. Bei Anlegen eines Vakuums werden die Bedingungen des Zusammenpressens und des Evakuieren erfüllt.Of Furthermore, the structure can be vacuum-tightly closed with a film / non-woven construction become. Upon application of a vacuum, the conditions of compression and evacuating.

Industrielle Anwendung finden aber eher Verfahren mit Formen bestehend aus Matrize und Patritze, bei denen in einer Presse der nötige Anpressdruck erzeugt wird. Gerade für großvolumige Bauteile stellt die Autoklaventechnik ein gängiges Verfahren dar, bei dem der Aufbau in einem Druckkessel zusätzlich zum Vakuum mit einem äußeren Druck beaufschlagt wird.industrial However, methods with forms consisting of matrix are more likely to be used and Patritze, where in a press the necessary contact pressure is generated. Especially for large volume components Autoclave technology is a common method in which the construction in a pressure vessel in addition to the vacuum with an external pressure is charged.

All diese Verfahren erfüllen jedoch nicht alle Anwendungsmöglichkeiten, die mit Faserverbunden gelöst werden können. So stellt man bei einer monetären Betrachtung fest, das alle Handlaminierverfahren zwar geringe Investitionen bedürfen, aber hohen Personalaufwand erfordern. Außerdem müssen viele und teure Einwegmaterialien verwendet werden, um ein flächiges Anliegen des Vakuums und eine Trennung des Harzes von dem Vakuumaufbau zu gewährleisten.Alles comply with these procedures but not all applications, solved with fiber composites can be. So you put in a monetary Considering that all hand laminating while low investment require, but require high personnel expenses. In addition, many and expensive disposable materials used to be a plane Concern of the vacuum and a separation of the resin from the vacuum structure to ensure.

Maschinelle Verfahren erfordern sehr hohe Investitionen und sind unflexibel. Für spezielle Anwendungsfälle ist es immer wieder erforderlich, kleine Stückzahlen eines Bauteils herzustellen, mit einer reproduzierbaren Qualität und geringen Investitionskosten. Wenn dieses Bauteil noch durch ein einlaminiertes Kernmaterial versteift werden soll, und konturiert ist, kann keines der genannten Fertigungsverfahren angewandt werden.Machinery Procedures require very high investments and are inflexible. For special use cases it is always necessary to produce small quantities of a component, with a reproducible quality and low investment costs. If this component still stiffened by a laminated core material should be, and is contoured, none of the said manufacturing processes be applied.

Die Aufgabe besteht darin, für diesen Anwendungszweck ein Verfahren zu schaffen. Doe erfindungsgemäße Lösung besteht in dem in Anspruch 1 genannten Verfahren. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.The Task is for to create a method for this purpose. Doe solution according to the invention exists in the method mentioned in claim 1. The dependent claims give advantageous embodiments again.

Das erfindungsgemäße Sandwichtiefziehverfahren erfüllt den Qualitätsanspruch, da das Laminat – einer Tiefziehfolie gleich – per Vakuum über eine Form gezogen wird. Es ist kostengünstig, da sich der maschinelle Aufwand „in Grenzen hält".The Sandwich deep-drawing method according to the invention Fulfills the quality claim, because the laminate - a Thermoforming foil equal - per Vacuum over one Form is pulled. It is inexpensive, since the machine Effort "in Holds boundaries ".

Es kommt weiter mit sehr wenig Einwegmaterial aus und als Form ist nur eine Formhälfte erforderlich. Bei dem Sandwichtiefziehverfahren wird der Laminataufbau auf der Sicht- und der Nichtsichtseite mit einer thermoplastischen Folie ergänzt. Haftungsprobleme sind in diesem Fall nicht zu eliminieren, sie sind gewollt. Um das Laminat formen zu können, wird es zwischen zwei elastische Folien gelegt, evakuiert und wie eine Folie tiefgezogen. Alternativ kann das Laminat auch mittels Druckkammer an die Form gepresst werden.It keeps coming out with very little disposable material and as a shape only one mold half required. In the sandwich gravure process, the laminate buildup becomes on the visual and non-viewing side with a thermoplastic Slide complements. Adhesion problems are not eliminated in this case, they are wanted. To form the laminate, it is between two laid elastic films, evacuated and deep-drawn like a film. Alternatively, the laminate can also by means of pressure chamber to the mold be pressed.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgendenden näher beschrieben. Dabei zeigen:embodiments The invention are illustrated in the drawings and are in following closer described. Showing:

1 den schematischen Aufbau der Lagen eines erfindungsgemäßen Sandwiches, 1 the schematic structure of the layers of a sandwich according to the invention,

2 das kompaktierte Sandwich, 2 the compacted sandwich,

3 eine zur Herstellung genutzte konturierete Form (beispielhaft), 3 a contoured mold used for the manufacture (by way of example),

4 die Fertigungsanlage (Seitenansicht, schematisch), 4 the manufacturing plant (side view, schematic),

5 die Fertigungsanlage vor der Formung (Vorderansicht, schematisch), 5 the manufacturing plant before forming (front view, schematic),

6 die Fertigungsanlage nach der Formung (Vorderansicht, schematisch), und 6 the manufacturing plant after forming (front view, schematic), and

7 das fertige Bauteil (beispielhaft). 7 the finished component (by way of example).

Das Sandwich (1) besteht aus dem Kern 5, den Decklaminaten 4 und der Deckfolie 3. Als Kern 5 dient ein thermoplastischer Airex Hartschaum, es wurden aber auch Versuche mit anderen Schäumen und Wabenkernen aus phenolharzverstärktem Aramidfaserpapier durchgeführt. Es können je nach gewünschtem Verformungsgrad alle im Verbundwerkstoffbau eingesetzten Kerne verwendet werden. Als Decklaminat 4 dient ein Glasfaser/Epoxidharz – Laminat mit einer Körperbindung. Die Verwendung anderer Fasern, z.B. Aramid- oder Kohlefaser, anderer Harze, z.B. Polyester- oder Phenolharze oder anderen Gewebe-, Gelege- oder Tapearten ist machbar und teilweise auch erprobt.The sandwich ( 1 ) consists of the core 5 , the cover laminates 4 and the cover sheet 3 , As a core 5 a thermoplastic Airex rigid foam serves it however, tests were also carried out with other foams and honeycomb cores made of phenolic resin-reinforced aramid fiber paper. Depending on the desired degree of deformation, all cores used in composite construction can be used. As a cover laminate 4 serves a glass fiber / epoxy laminate with a body bond. The use of other fibers, such as aramid or carbon fiber, other resins, such as polyester or phenolic resins or other types of tissue, jelly or tapes is feasible and partially also tested.

Das Sandwich wird von einem bevorzugt sehr offenporigen Vlies 2 umschlossen oder wenigstens an den Stellen mit Vlies belegt, an denen es fertigungstechnisch zu Problemen beim Vakuumaufbau kommen kann. Auf die Verbindung der Vlieseinlagen ist zu achten. Der komplette Aufbau wird nun an Ober- und Unterseite mit einer dauerelastischen Folie 1 gegen die Umgebung abgeschlossen. Ratsam ist die Verwendung einer Silikonfolie, da Rückstellkräfte, Adhäsionsverhalten und Wärmebeständigkeit für eine solche Folie unerreicht sind.The sandwich is made of a preferably very open-pored nonwoven 2 enclosed or at least at the points covered with fleece, where it may be manufacturing problems to problems during vacuum build-up. On the connection of the fleece inserts is to be respected. The complete structure is now on top and bottom with a permanently elastic film 1 completed against the environment. It is advisable to use a silicone film as restoring forces, adhesion behavior and heat resistance are unequaled for such a film.

Andere dauerelastische Folien können verwendet werden, wenn z.B. die Dehnung des Silikons nicht ausreichend ist. Die Stärke der Folie beträgt im vorliegenden Fall 1 mm. Geringere Folienstärken haben den Vorteil der geringeren Rückstellkraft, die Haltbarkeit leidet. Bei stärkeren Folien verhalt es sich umgekehrt.Other permanently elastic films can used when e.g. the stretching of the silicone is not sufficient is. The strenght the film is in the present case 1 mm. Lower film thicknesses have the advantage of lower restoring force, the durability suffers. For stronger ones Slides behave the other way around.

Der komplette Lagenaufbau ist in 1 schematisch dargestellt.The complete layer structure is in 1 shown schematically.

Die Form 6 (3) muß folgende Aufgaben erfüllen. Sie muß dem Arbeitsdruck standhalten, der Verarbeitungstemperatur des Sandwiches und sie muß, da sie sich im evakuierten Raum befindet, entweder porös oder mit Vakuumbohrungen 7 versehen sein.Form 6 ( 3 ) must fulfill the following tasks. It must withstand the working pressure, the processing temperature of the sandwich and, as it is in the evacuated space, it must be either porous or with vacuum holes 7 be provided.

Zum Formen und Härten des Sandwiches ist eine Fertigungsanlage (4, 5 und 6) erforderlich, die einerseits einer Folientiefziehanlage entsprechend das Sandwich an die Form anpresst oder ansaugt, andererseits als Härtungsofen fungiert und das Sandwich nach dem Formen unter Temperatureinfluß und Aufrechterhaltung des Vakuum aushärten läßt. Die Fertigungsanlage (4) besteht aus einer Heizkammer 8 und einer Formkammer 9. Beide werden über Heizfelder 10 beheizt. Beide Kammern sind voneinander thermisch getrennt und die Temperaturen getrennt regelbar.To form and harden the sandwich is a production plant ( 4 . 5 and 6 ) on the one hand a film thermoforming according to the sandwich pressed or sucked on the mold, on the other hand acts as a curing oven and the sandwich after molding under the influence of temperature and maintaining the vacuum is allowed to harden. The production plant ( 4 ) consists of a heating chamber 8th and a molding chamber 9 , Both are using heaters 10 heated. Both chambers are thermally separated from each other and the temperatures can be controlled separately.

Der Spannrahmen 11, der das Sandwich aufnimmt und es Vakuumdicht verspannt, ist auf Rollschienen zwischen beiden Kammern 8, 9 zu bewegen. Das Werkzeug 6 wird auf dem Werkzeugtisch 13 befestigt. Dieser ist mit einer Vakuumbohrung 18 zum Werkzeug hin versehen und mit dem Vakuumaggregat 17 verbunden. Umrahmt ist der Werkzeugtisch mit einer Dichtlippe 15. Diese soll den Werkzeugtisch zum Spannrahmen abdichten.The clamping frame 11 , which picks up the sandwich and clamps it vacuum-tight, is on roller rails between both chambers 8th . 9 to move. The tool 6 will be on the tool table 13 attached. This one is with a vacuum hole 18 provided to the tool and with the vacuum unit 17 connected. The tool table is framed with a sealing lip 15 , This is intended to seal the tool table to the clamping frame.

Die Ausführung der Dichtlippe ist variabel. Ratsam ist eine aufblasbare Silikonschlauchdichtung um ein annäherndes Vakuum zu erreichen. Der Werkzeugtisch ist vertikal beweglich 19 und taucht mit dem Werkzeug in den Spannrahmen ein. Er dichtet den Vakuumraum ab, indem er gegen den Spannrahmen gefahren wird.The execution the sealing lip is variable. Advisable is an inflatable silicone tube seal an approximate Reach vacuum. The tool table is vertically movable 19 and dives into the tenter with the tool. He seals that Vacuum space by being driven against the clamping frame.

Durch Anlegen des Vakuums 17 wird das Sandwich an die Form gesogen. In dieser Position wird es gehärtet und anschließend entformt. Alternativ oder zum besseren formen bei schwierigen Konturen kann das Sandwich auch vorgeblasen werden, d.h. das es entweder von unten durch Luftdruck, oder von oben durch Unterdruck vorgedehnt wird. In diesem Falle kann druch Druckumkehr auch geformt werden.By applying the vacuum 17 the sandwich is sucked to the mold. In this position, it is hardened and then demolded. Alternatively, or for better shaping in difficult contours, the sandwich can also be pre-blown, ie it is pre-expanded either from below by air pressure, or from above by negative pressure. In this case can also be formed by pressure reversal.

Damit das Sandwich sich wie eine Folie verhält, wird es vor dem Prozeß evakuiert. Dies ist über den Vakuumanschluß 12 möglich. Entscheidend für den gesamten Prozeß ist die richtige Wahl des Druckes in dem Sandwich. Bei Umgebungsdruck (1 bar) ist keine Haftung des Sandwiches erreicht, dafür gleiten die einzelnen Lagen sehr gut aufeinander. Bei Vakuum (0 bar) ist kein Gleiten mehr möglich, da das Problem dieses Lagenaufbaus ist, daß sich nicht alle Materialien gleich verhalten.In order for the sandwich to behave like a foil, it is evacuated before the process. This is about the vacuum connection 12 possible. Crucial for the whole process is the right choice of pressure in the sandwich. At ambient pressure (1 bar) no adhesion of the sandwich is achieved, but the individual layers slide very well on each other. With vacuum (0 bar) no more gliding is possible, since the problem of this layer structure is that not all materials behave the same way.

Einige Formen sich sehr gut (das Laminat), andere kaum (der Kern, abhängig von der Dicke). Im Resultat kann es zur Faltenbildung an der Oberfläche kommen. Die richtige Einstellung muß erprobt werden. In Versuchen haben sich Absolutdrücke zwischen 0,2 und 0,9 bar als anwendbar ergeben, je nach Form und Laminataufbau.Some Form very well (the laminate), others hardly (the core, depending on the thick). As a result, wrinkles may form on the surface. The right attitude must be tested become. In tests, absolute pressures between 0.2 and 0.9 bar as applicable, depending on the shape and laminate construction.

Als weiter wesentlich für den Prozeß ist die richtige Wahl der Temperaturen und der Zeiten. Die Heizkammer 8 dient dem Vorwärmen des Sandwiches. In ihr wird das Sandwich auf eine Temperatur erwärmt, bei der sich die Deckfolien 3 und der Kern 5 formen lassen, das Reaktionsharzlaminat 4 aber noch nicht zu reagieren beginnt. Für das richtige Temperatur – Zeit Verhältnis ist die Wahl der Werkstoffe entscheidend.Further essential to the process is the right choice of temperatures and times. The heating chamber 8th serves to preheat the sandwich. In it, the sandwich is heated to a temperature at which the cover films 3 and the core 5 mold, the reaction resin laminate 4 but does not begin to respond. For the right temperature - time ratio, the choice of materials is crucial.

Bei den bevorzugt verwendeten Materialien (ABS Folie, Epoxidharz (kalthärtend) und Airex Schaum) bewegt sich die Bandbreite der Temperaturen zum Vorheizen zwischen 130 und 180 °C für 50 bis 120 sec. Eine längere Verweildauer führt zur besseren Durchwärmung des Sandwiches, führt aber auch eher zu einem Kolabieren des Schaumkernes. Der Formofen ist weniger stark erhitzt. Hier soll die Temperatur die Reaktion des Harzes beschleunigen.In the preferred materials used (ABS film, epoxy resin (cold curing) and Airex foam), the range of temperatures for preheating between 130 and 180 ° C for 50 to 120 sec moves. A longer residence time leads to better heating of the sandwich, but also leads rather to a coling of the foam core. The forming furnace is less heated. Here is the Temperature accelerate the reaction of the resin.

Die Wahl der richtigen Temperatur ist auch hier abhängig von dem verwendeten Harz. Bei dem verwendeten kalthärtenden Epoxidharz ist eine Temperatur über 90 °C nicht empfehlenswert um Blasenbildung zu vermeiden. Je geringer die Temperatur ist, desto länger ist der Härtungsprozeß. Bei eingestellten 70 °C ist das Reaktionsharz nach 90 min weitestgehend ausgehärtet und das Bauteil (7) kann entformt werden.The choice of the right temperature is also dependent on the resin used. For the cold-curing epoxy resin used, a temperature above 90 ° C is not recommended to avoid blistering. The lower the temperature, the longer the curing process. At set 70 ° C, the reaction resin is cured after 90 minutes as far as possible and the component ( 7 ) can be removed from the mold.

Claims (7)

Werkstück aus einem dreidimensional unter Druck profilierten Kunststoffsandwich und/oder Kunststofflaminaten, gekennzeichnet durch einen Sandwichaufbau aus einem Stapel unreagierter Flies-/Kunststoff, Kern- und Folien-Lagen mit zwei Deckfolien, die den Stapel zur Atmosphäre abdichten, mit unter den Deckfolien liegenden Evakuierungsschichten zur Weiterleitung eines gleichmäßigen Unterdrucks im Innenraum der beim Pressen des Sandwichaufbaus auf eine Form bis zur Erhärtung des Werkstücks.workpiece from a three-dimensional under pressure profiled plastic sandwich and / or plastic laminates characterized by a sandwich construction from a stack of unreacted fleece / plastic, core and foil layers with two cover sheets that seal the stack to the atmosphere, with under the Cover sheets lying evacuation layers for forwarding a uniform negative pressure in the interior of the while pressing the sandwich construction on a mold until the hardening of the Workpiece. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sandwichaufbau mit einem geschlossenporigen Kernmaterial (5) vor dem Ausbringen auf die Form versteift wird.Workpiece according to claim 1, characterized in that the sandwich construction with a closed-pored core material ( 5 ) is stiffened prior to application to the mold. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckfolie eine thermoplastischen Folie vorgesehen ist.workpiece according to claim 1 or 2, characterized in that as a cover sheet a thermoplastic film is provided. Werkstück nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zur Evakuierung des Stapels aus Lagen zwischengelegtes offenporiges Vlies oder Gewebe, das eine für die Formung zur vorgesehenen Form notwendige Dehnung besitzt.workpiece according to one of the preceding claims, characterized by a for evacuation of the stack of layers interposed open-pored Fleece or fabric, which is a for the shaping has the necessary form of stretching required form. Werkstück nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagenaufbau bei einer derart erhöhten Temperatur geformt ist, daß die thermoplastischen Teile thermoplastisch geformt sind, ohne das Reaktionsharz über den Gelpunkt zu gebracht zu haben.workpiece according to one of the preceding claims, characterized that the Layer structure at such an elevated Temperature is shaped that the thermoplastic parts are thermoplastic molded without the reaction resin over the Gelpunkt to have brought. Vorrichtung zur Schaffung des Werkstücks mit einer Einrichtung zur Formgebung durch Überdruck von außen auf die Dichtfolie des Lagenaufbaus druckausübend gegen eine Form.Device for creating the workpiece with a Device for forming by overpressure from outside the sealing film of the layer structure pressure exerting against a mold. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Mittel zum Luftdruckausgleich an der Form.Apparatus according to claim 6, characterized by a means of air pressure equalization on the mold.
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