WO2010133216A2 - Method for producing a component made of a composite material - Google Patents

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WO2010133216A2
WO2010133216A2 PCT/DE2010/000569 DE2010000569W WO2010133216A2 WO 2010133216 A2 WO2010133216 A2 WO 2010133216A2 DE 2010000569 W DE2010000569 W DE 2010000569W WO 2010133216 A2 WO2010133216 A2 WO 2010133216A2
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fibers
components
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Caren Mueller
Rico Tscharntke
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Biostructure Gmbh
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    • B29C70/28Shaping operations therefor
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    • B29C70/443Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using isostatic pressure, e.g. pressure difference-moulding, vacuum bag-moulding, autoclave-moulding or expanding rubber-moulding and impregnating by vacuum or injection
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    • B29C70/68Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
    • B29C70/86Incorporated in coherent impregnated reinforcing layers, e.g. by winding

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from a composite material which consists of at least one matrix material and a plurality of fibers embedded therein.
  • Such a component is lightweight and is said to replace metal, wood, plastic, concrete and other composites without reducing application parameters. This is to be achieved by fibers can be fixed according to a load profile of the component according to any position within the component. Thus, a component is to be created, which is adapted to the intended use of the component occurring loads and compared to alternative designs with the same strength is significantly easier.
  • EP 0 402 708 A1 discloses a lightweight composite material having a duromer matrix in which fibers are preferably initially present in prefabricated fabric layers and these individual fabric layers are stacked on top of one another and surrounded by the thermoset or duromeric resin.
  • the invention is therefore based on the problem of providing a method which overcomes the disadvantages mentioned above and allows the provision of a component made of a fibrous composite, in which an adaptation of the spatial structure of the fibers during the manufacturing process is possible without access on the fibers from the outside is necessary.
  • a method of manufacturing a composite component comprising at least one matrix material and a plurality of fibers embedded therein, the method comprising the steps of:
  • cellular structures can be produced with the method according to the invention. This makes it possible to realize insights from bionics and geometry practically and industrially. Furthermore, when constructing a fiber structure within the component, measures can be taken which specifically locally modify the physical properties of the matrix material.
  • It can be monolithic components manufactured, which are composed of a fiber-reinforced foam.
  • the fibers are here dissipatively in the component before.
  • the component is thus formed from a homogeneous material, which can be freely modified by functional groups in its physical behavior.
  • Expandable component components can consist of different functional groups in any mixing ratios. They preferably form a core structure for a cellular structure of a fiber foam, of which the .Bauteil consists.
  • Fillers for influencing the mechanical properties of the component to be produced, which surround at least the component components and / or the fibers in sections; are preferably poured in (loose);
  • Carrier components to create a supporting structure which is conductive within the component to be produced and at least partially surrounded by component components and fibers; their cores may be surrounded by frictionally bonded fibers, typically characterized by high volume and low weight;
  • Additives chemical / crystallographic substances which react with the matrix material and which are used to influence the properties of the solidified resin matrix and thus to influence the material properties of the component to be produced;
  • Expander filled with gas and / or carrier components and gas-tight closed hollow body as expandable component components that increase their volume under relative negative pressure. Typically, they are surrounded or coated with an elastomer or latex.
  • gas-filled expandable component components or expander can be arranged together with the fibers and carrier components in a first step within the cavity.
  • the expandable component components preferably form the core for building cellular structures within the component.
  • Component components that push surrounding fibers and carrier components outward i. they e.g. move away from a mid-point of the respective expander.
  • the component component or the expander formed with them can be designed such that they can expand only at defined locations and thus not in certain, predetermined spatial directions. Preferably, however, the component components or expander expand in the evacuation of the cavity in all directions almost uniformly.
  • component components and expander may have almost any geometric shape, both are preferably made spherical.
  • Particularly suitable starting materials for the production of the expanders are elastomers, natural rubber, e.g. Latex, so that the gas trapped in them or in the component component inside it can expand under a relatively low pressure.
  • expanders are, for example, gas-filled balloons or have gas-storing cores, e.g. Styrofoam, but can also - as already stated above - be enclosed by elastomers carrier components.
  • gas-storing cores e.g. Styrofoam
  • expanders allow a stable volume under normal pressure, which allows a more precise structure of the fiber architecture.
  • the expandable component components with the carrier components form cores of the cellular structures.
  • Such cores can have any spatial dimensions but are always fixed.
  • Fiber filaments connected non-positively to them can bond with filaments of adjacent expandable component components.
  • fiber filaments can be produced in a specific manner in the form of bonded or mechanically bonded short and long cut fibers and together with fillers. page 5
  • the expandable component components can be embedded in fiber layers, fiber hoses, mats, etc. or fillers. They thus form a basis of a spatially cellular structure.
  • seeds of plants or their replicas can be used as expansion-capable component components. These allow for filling of the matrix material by irradiation with micro or infrared waves, a (second) expansion stage within the component. This can also be done in an embodiment variant as an additional process step after the introduction of the matrix material. Consequently, the expansion of these component components to their final size would take place only within the component produced or at least already having the matrix material. In this way, the desired fiber structures within the component to be produced can optionally be adjusted even better, avoiding undesired voids within the matrix material or pressing excess resin out of the component.
  • a resin is used as a matrix material and cured by a resin injection or infusion process with the fiber (inner) structure to the component.
  • the process of the present invention implements parts of a "vacuum assisted resin injection” (VARI) or “resin transfer molding” (RTM) process ("vacuum assisted resin injection” or “resin transfer molding” process) and their advancements in which in each case a negative pressure is built up in a cavity.
  • VARI vacuum assisted resin injection
  • RTM refsin transfer molding
  • the component to be produced can be equipped by applying the method according to the invention with functional assemblies. These allow, among other things, property modifications of a fiber foam in the component.
  • the introduction of one or more continuous hoses can also allow the transport of liquids and gases through the component. These can also continue to allow filling with functional gases and liquids or the evacuation of such fluids, resulting in further property extensions for the component to be produced.
  • the fiber volume fraction between the expandable component parts and fibers and to an outer shape defined by the cavity is due to the pressure Page 6 from the component components or expanders specifically regulated. It is possible to define the amount, size, internal pressure and material of the expandable component parts to adjust the fiber volume fraction.
  • a targeted adaptation of the fiber profile is ensured by the expandable component components or by their embodiment as expanders, which may optionally also be capable of different expansion by the use of different materials.
  • the fibers can be positioned in the direction of a force occurring in the intended use of the component and are preferably connected three-dimensionally in the entire component to be produced in the method according to the invention.
  • the fiber volume fraction of the component to be produced is between 15-90%.
  • the fibers used in the process according to the invention are understood as meaning, for example, textile fibers, glass fibers, metal fibers or carbon fibers.
  • microstructured and all organic fibers can be used.
  • any solid or flexible negative mold is understood, which determines the later outer shape of the component to be produced. It may be this particular Page 7 is a rigid shell, a closed injection mold or a vacuum bag with flexible lateral surfaces.
  • the fibers may already rest directly on the not yet expanded component components or initially be placed loosely within the cavity. This means that the expandable component components may already be at least partially surrounded by fibers prior to their placement in the cavity, and e.g. are wrapped with fibers.
  • ordered or disordered loose fibers can be arranged separately from the expandable component components in the cavity and, for example, the expandable component components can be introduced loosely or in a specific pattern into a fiber material already in the cavity.
  • the arrangement of the expandable component components within the cavity is carried out according to a predefined pattern, by the delimited functional areas arise in the finished component, which are each optimized for the loads or forces occurring in the intended use of the component.
  • predefined regions of the component to be produced are combined to form functional groups which serve to absorb defined loads such as impact, tension or rotation. Accordingly, these regions can have fibers in the necessary density and / or orientation, wherein a desired, final fiber profile can be adjusted and adjusted by means of the expandable component components.
  • the component is therefore structurable in itself and almost arbitrarily according to performance parameters.
  • the fibers are three-dimensionally twisted / sewn together and / or positively connected with each other or with each other.
  • the component components, expanders and / or fibers can be treated with fillers and additives.
  • Embodiment arranged in at least one prefabricated Faserumhüllung and / or on a fiber surface.
  • This fiber cladding or fiber surface is in each case made of fibers, in particular of fiber filaments, fiber rovings, fiber layers, individual fiber mats or at least one fiber hose.
  • expandable component components are arranged within at least one fiber sheath formed from a fiber tube or a fiber sheath consisting of a plurality of individual chambers.
  • This fiber sheath is placed within the cavity and thus already constitutes a basic structure for the fiber structure to be realized within the component to be produced, before the cavity is evacuated and the matrix material is introduced.
  • expandable component components are arranged on a substantially flat, spread-out fiber surface with fiber material which is wound in such a way that the components arranged thereon are located inside the wound-up fiber surface and the wound-up fiber surface is arranged in the cavity before the matrix material is introduced into the cavity.
  • the entire inner and outer structure of the component is unwound into the fiber surface.
  • the fiber surface is provided with expandable component parts, e.g. partly in the form of expanders and optionally with functional ingredients, e.g. Fillers and / or additives, coated and then rolled until the fiber surface is in the form of a coil. This is introduced into the cavity, which is closed and evacuated. In the process, the component components or expander expand and press the outer layer of the wound fiber surface against the inner walls of the cavity and establish the structure present within the fiber surface.
  • expandable component components can be arranged on a fiber surface, which, regardless of whether this is wound or not, consists of individual surface-connected fiber mats.
  • fillers in the cavity are preferably before the evacuation of the cavity Page 9 arranged, which surround the expandable component components at least in sections.
  • the fiber volume fraction can be regulated and the specification of the physical properties of the matrix controlled.
  • an expansion of the component components within the cavity takes place in a through the
  • Carrier components and fibers are compressed by the expanding component components or expander.
  • matrix material are then already by the expandable component components, fibers and
  • Fillers formed supporting structures fixed in the component.
  • the fillers may furthermore be introduced into / on the prefabricated fiber sheathings and / or at least partially surround the prefabricated fiber sheathings. Likewise, fillers may be introduced into interstices or chambers of a fiber surface discussed above, the interstices being formed by area of the fiber surface in which the fiber mats making up the fiber surface are not interconnected.
  • fillers may be added to the resin matrix prior to injection / infusion.
  • Fillers are for example fiber-needle, plate or particulate and / or mineral substances, in particular carbon fibers, glass fibers, glass beads, amorphous silica, asbestos, calcium silicate, calcium metasilicate, magnesium carbonate, kaolin, calcined kaolin, chalk, powdered Quartz, mica, barium sulfate, feldspar, aramid fibers, potassium titanate fibers, acicular wollastonite, talc, boehmite, bentonite, montmorillonite, vermicullite, hectorite or laponite, etc.
  • Particles of rubber, metal powders, dyes, pigments and their binders and adhesion promoters, organic fillers such as wood flour can be used.
  • the fillers to be applied may, for example, also be carbon nanotubes ("CNTs") contained in a solvent, or micorbalons, etc., which are sprayed onto the expandable component components, fibers and / or fillers.
  • CNTs carbon nanotubes
  • the bond between fibers and resin matrix or matrix material takes place physically. Adhesive forces connect fibers and matrix. In addition, surface defects of the fibers and the therein e.g. resinous matrix material for increased friction between fibers and matrix. These properties can be regulated by the fillers, the surface structure of the fibers and the viscosity of the resin.
  • the introduction of the matrix material preferably takes place after the evacuation of the cavity so that already expanded component components are present when the matrix material, for example a resin, is supplied.
  • the negative pressure can be regulated during and after the filling of the resin.
  • an expansion of the component components is realized only after the complete or partial filling of the cavity with matrix material. In such a case, therefore, the component components would at least partially already be within a liquid matrix material as they expand.
  • the method according to the invention can be supplemented by a gas injection into the component before and / or after hardening of the matrix material.
  • a gas injection into the component before and / or after hardening of the matrix material This is understood to mean, for example, that gas is injected locally into the expanded expander. This is a third way to regulate the cavity pressure and thus the fiber volume fraction.
  • these expander can be used by their physical connection to the outside of the component even after curing functionally for the transport or storage of substances.
  • additives are applied to the component components, to fibers and fillers in one embodiment prior to introduction of the matrix material into the cavity.
  • additives are understood as meaning, in particular, additives which influence the crystallization of the matrix material, for example of a resin.
  • Part of the present invention is, inter alia, that the properties of the resin matrix in the monolithic component in a single casting can be controlled dynamically targeted.
  • the additives By spraying or generally applying the additives to the preform, the additives are already at the location of the desired property in the component. However, this can be applied in all fiber composite techniques.
  • a matrix of resin from the matrix material by incorporating additives but also localized fillers (crystallization, density, length of the polymer chains and their unfolding, physical and chemical behavior, duration and position of the glass transition point).
  • additives and / or introducing fillers are applied to the preform, i. in particular, the fiber architecture or the already arranged in the cavity components of the composite, applied before evacuation.
  • a progressing resin front of the introduced matrix material absorbs the additives at design-determined positions and locally determines the properties of the resin solidified there. This makes the component relatively complex with e.g. defined mechanical properties. With additives, however, the resin can still be foamed in the marketplace at specified points.
  • the matrix material a resin can be used.
  • the matrix material may comprise a duromer, an elastomer or a thermoplastic.
  • the matrix material may also comprise a biopolymer which is essentially obtained from renewable raw materials.
  • thermoset mainly epoxy (EP) resins unsaturated polyester (UP) resins and vinyl ester (VE) resins are used.
  • UP unsaturated polyester
  • VE vinyl ester
  • PF phenol
  • polyamides and bismaleimides can be used.
  • Uncrosslinked polymers are vulcanized with sulfur to elastomers, which can be used in particular for the production of the expander.
  • the starting material is rubber, which, inter alia, in the form of natural rubber, isoprene rubber Page 12 and butadiene rubber is used.
  • the spatially crosslinked elastomers there are the thermoplastic elastomers. Used are, for example, styrene-butadiene-styrene triblock copolymers, polyurethanes, elastomer thermoplastic blends (eg EPDM / PP, NR / PP).
  • thermoplastics In the field of thermoplastics, semi-crystalline materials such as polypropylene (PP), polyamide (PA) and amorphous thermoplastics such as polystyrene (PS), polycarbonate (PC) are used. Particularly suitable as the matrix are polypropylene (PE), the saturated polyesters, polybutylene terephthalate (PBT) and polyethylene terephthalate (PET) and polyamides (PA).
  • High heat-resistant thermoplastic matrix materials include polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), as well as polyetheretherketone (PEEK) and polyetherimide (PEI).
  • suitable starting materials are preferably the natural fats and oils of rapeseed, sunflower, soy, flax, hemp, castor, coconuts, oil palms,
  • Oil palm kernels and olive trees are those by the same
  • thermosets For the preparation of oleochemical thermosets, the following classes of compounds are particularly suitable:
  • Amine fatty substances (meth) acrylate-functional fatty substances preferably prepared by esterification of (meth) acrylic acid with hydroxide functionalized fats and oils, or by ring-opening reaction of epoxidized fatty substances with olefinically unsaturated carboxylic acids such as (meth) acrylic acid, crotonic acid, itaconic acid, maleic acid or their mixture.
  • the most important representatives of the epoxidized fats and oils are the expoxidized linseed and soybean oil and the epoxidized rapeseed oil as well as the epoxidized sunflower oil.
  • the expandable component components or the expanders made from or with them include elastomers, polyamides, or latex, or are made from the foregoing materials to define their expandability.
  • Another aspect of the present invention is a component made according to the proposed method of the invention.
  • Conceivable are components for vehicle construction, i. the automotive industry, rail vehicle construction, aircraft construction, the manufacture of body parts and interior fittings.
  • an inventive component in the construction industry for insulation materials and structural elements in window construction for the construction of window frames, door frames and doors, in the furniture industry for the production of panels, multi-shell wall systems, furniture parts and furniture, in the electrical / energy industry for the production of computers , Home appliances, hi-fi, PA enclosures, blades and rotor blades of blowers or wind turbines.
  • the production of machine parts and panels are procedurally feasible.
  • the inventive method for the production of components and bodies whose applications are under water and in space.
  • the components according to the invention can be used for the production of bottles, hollow bodies, molded parts and technical packaging.
  • such a component can be used as a container or case or in scaffolding and stage construction.
  • a further aspect of the present invention is therefore also the use of a component made of a composite material according to the method of the invention for providing therewith at least one diffusion layer for an isobaric tank for storing a gaseous fluid, e.g. Hydrogen, produce.
  • a gaseous fluid e.g. Hydrogen
  • Such an isobaric tank has at least a first and a second diffusion layer and a jacket, wherein the first diffusion layer in the interior of the isobaric tank completely encloses a first cavity for receiving the fluid, the second diffusion layer completely encloses a second cavity in which the first cavity is completely accommodated and the shell completely encloses the second diffusion layer to seal the isobaric tank from an exterior space. Furthermore, the first and second diffusion layers are permeable to the fluid from a threshold value for the pressure applied to the respective diffusion layer by the gaseous fluid received in the isobaric tank.
  • a multi-layer Isobarentank can be constructed, which is filled with the gas to be stored at high pressure.
  • the outermost cavity of the isobaric tank, in which several other cavities are located with the fluid under the highest pressure.
  • the fluid would diffuse through the individual diffusion layers from outside to inside.
  • the permissible diffusion between the adjoining cavities via the respective diffusion layer can be adjusted specifically.
  • the permissible diffusion between the adjoining cavities via the respective diffusion layer can be adjusted specifically.
  • the material properties of the diffusion layer, the permeability of a diffusion layer is already set during production.
  • the active principle of the isobaric tank described here is not necessarily bound to the use of a component for one of the diffusion layers, which was produced by the method according to the invention.
  • FIG. 1 is a flowchart which schematically illustrates the sequence of a method according to the invention
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a component produced by the method according to the invention
  • Fig. 3 shows schematically a fiber tube in the expansible
  • FIGS. 4A-4D show various views of a fiber architecture to be arranged in a cavity, which is wound up, in which inter alia, expandable component components and functional assemblies are located in their interior, in various stages of the method;
  • Fig. 5A schematically several, provided with individual chambers
  • Fiber cladding are to be filled in the expandable component components and fillers, within a cavity for the component to be produced; Page 16
  • FIG. 5B a detail of a fiber surface consisting of a plurality of hexagonal fiber mats with expandable component components and fillers;
  • 6A-6B are sectional views of two embodiments of an isobaric tank according to the invention with a plurality of diffusion layers.
  • FIG. 1 shows schematically a possible sequence of the method according to the invention for producing a component from a composite material, in which fibers are embedded within a matrix material, for example a resin.
  • a cavity in which the components forming the component to be produced are arranged or introduced.
  • the outer shape defined by the cavity determines the later final shape of the component to be produced.
  • a cavity may, for example, be a matrix provided with a solid core or a simple hollow shape without an inner core.
  • a cavity in the form of a flexible (vacuum) bag or a combination of outer form and vacuum bag.
  • a fiber architecture is built up within the cavity in the subsequent steps.
  • This is characterized by an arrangement of fibers, fiber rovings, fiber fabrics, fiber hoses and / or mats or tiles and the arrangement of expandable component components and fillers in the cavity according to design specifications for the component to be manufactured, as provided in a step B of Figure 1 is.
  • the said components to be arranged in the cavity in particular the expansion-capable component components, can be in the form of the expander and carrier components already explained in the introduction.
  • the expandable component components may already be individually surrounded by fibers. But they can also be used in already introduced in the cavity fibers that are loose or disordered or targeted within the cavity aligned or arranged.
  • the fiber material may also be loose and present as rovings, yarns, tubes, knitted fabrics, knits, prepegs.
  • process can be additionally connected with fibers from micro to endless.
  • the aim is to surround the expandable component components or the expander with ordered and / or disordered fibers, so that the fibers within the cavity can be specifically aligned with a subsequent expansion of the component components or expander or at least the already built in the cavity shape stabilized and fixed.
  • the expander are preferably designed as filled with gas and / or carrier components hollow body made of an elastomer, so that in an evacuation of the cavity by the resulting negative pressure, an expansion of such hollow body can take place.
  • More load-bearing support structures are primarily formed by surrounding with fibers selectively expanded component components and possibly additionally filled and non-expandable carrier components. Such carrier components are preferably such that they allow a frictional connection of their surface and fibers.
  • expandable component components are inserted into a fiber tube formed from interwoven individual fibers before an arrangement of the component components takes place within the cavity.
  • Such an exemplified fiber tube can thus be designed within the cavity along a desired course.
  • a profile of a fiber tube for example, be rectilinear within the cavity, so that a kind of pressure rod is realized within the component to be produced.
  • this pressure rod is formed by the fibers of the fiber tube embedded within the later-introduced matrix material and the components accommodated therein (in particular expanders, carrier components and fillers explained below) and, with the support structure provided with it, provides a larger (tensile) area along its course. Strength within the finished component.
  • the carrying capacity and load capacity of the component not exclusively on the introduced fibers and the expandable component components and to provide greater rigidity of the support structure to be created are in a step B.2 additionally Fillers added to the cavity.
  • expansion-capable component components are preferably positioned or placed within the cavity, in one embodiment of the method according to the invention it is entirely possible to introduce additional fillers, at least partially surrounding the component components, loosely into the cavity in order to produce the fiber architecture.
  • fillers can be arranged in prefabricated Faserumhüllept, such as a fiber hose described above (see also Figure 3), together with the expandable component components.
  • prefabricated Faserumhüllept such as a fiber hose described above (see also Figure 3)
  • Component components always cause a displacement of the fibers and the fillers against each other and in the direction of the outer walls defining the cavity.
  • Fibers arranged expansionsdayen component components form after hardening of the introduced matrix material prestressed support structures in the manufactured component.
  • the fillers may include crosslinking agents, or additional crosslinking agents may be added to the fillers.
  • crosslinking agents are substances which can also be referred to as additives.
  • the additives added to the fillers can thus specifically (chemically) influence the crosslinking properties of the resin matrix.
  • crosslinking agents are also intended for the crosslinking of fibers which form lateral surfaces of fiber cladding or fiber surfaces. Although individual fibers can always be connected to each other mechanically, for example by sewing, twisting or weaving together. However, it is also possible to use the cross-linking agents in a simple manner to achieve a three-dimensional coupling of the fibers in the component at the chemical level. Page 19
  • additives can in principle be introduced into the cavity in process step B.2 during the production of the fiber architecture.
  • additives of this type for example materials which are in a solvent and influence the crystallization of the resin matrix, can preferably be sprayed or applied onto component components already surrounded by fibers.
  • additives serve e.g. volatile solvents e.g. Toluene Toluene, common name after IUPAC also toluene, methylbenzene, phenylmethane, called by the IUPAC nomenclature methylbenzene, is a colorless, characteristic smelling, volatile liquid that resembles benzene in many of its properties.
  • Toluene is an aromatic hydrocarbon, often replacing the toxic benzene as a solvent.
  • an air turbulence may be previously provided according to method step B.3.
  • Luftverwirbelung present loose fibers are mechanically linked together within the cavity.
  • the expander expand and thus define the desired inner support structure consisting of expansion-capable component components as well as fibers, fillers and additives within the cavity.
  • the shape of the expander stabilizes the fiber architecture and provides the necessary in-mold pressure.
  • the matrix material for example a resin, in particular a duromer, an elastomer or a thermoplastic
  • the matrix material can be heated to increase the viscosity.
  • VARI Vacuum Assisted Resin Injection
  • RTM Resin Transfer Molding
  • Expander is thereby created within the component made of the composite material a stabilizing and in particular three-dimensionally networked support structure, which is adapted to the loads occurring at a proper use of the manufactured component.
  • Such functional components can also be incorporated in the production of the fiber architecture prior to closing the cavity (step C of the embodiment of FIG. 1).
  • Such functional components may be, for example, any pipes or even electronic components such as sensors.
  • FIG. 2 shows a component 1 produced by the process according to the invention in the form of a mast, which is shown in cross-section in FIG.
  • the component 1 is substantially cylindrical and has a circular base.
  • fiber-surrounded expanders (component components) 20 and 21 as well as particulate fillers 3 embedded in an additive-provided cured matrix material.
  • a single expander (or even a single component component 20) is centrally located within a cavity, not shown, so that it forms an amplified center of the component 1 to be produced.
  • Longitudinal direction of the component 1 extend and each have a length which corresponds to almost a total length of the component 1. However, it is preferred if in each case a plurality of central expanders 20 and a plurality of
  • Component components 21 along the longitudinal direction of the component 1 are arranged one behind the other, wherein a central expander 20 is each surrounded by a plurality of expandable component components 21 and / or fillers.
  • the expander 20 and expansion-capable component components 21 and the surrounding carrier components and fillers 3 have been arranged within the component 1 just in functional areas 6.0 and 6.1 according to a predefined pattern to the produced component 1 targeted to these functional areas with an adapted physical To provide behavior.
  • the functional groups formed thereby are surrounded by supporting cell structures, which in turn are built up from expanders, carrier components, fibers and fillers.
  • cell structures are constructed in such a way that forces acting on each spatial dimension counteract a large number of neutral lines.
  • FIG. 3 shows a prefabricated fiber sheath in the form of a fiber tube 5 into which expandable component components 2 and surrounding fillers 3 have been introduced.
  • Such a fiber tube 5 is arranged as already fully formed Faserumhüllung in a cavity and thus allows a comparatively easy-to-hand specification of a desired fiber structure or - together with the accommodated within the fiber tube 5 expandable component components 2 and the fillers 3 - the direct specification of a defined Support structure within the component to be produced.
  • the fiber tube 5 of Figure 3 here consists of interwoven fibers F, which are then pressed upon expansion of the possibly filled with gas spherical expander or component components 2 to the outside, as indicated by the arrows for an expander 2.
  • FIG. 3 illustrates two different variants.
  • the individual fibers F of the fiber tube 5 all run parallel to each other and transversely to the direction of extension of the fiber tube 5.
  • the individual fibers F thus form a fiber structure 50 * in the form of a Unidirectional Geleges.
  • Page 22 In a subsequent expansion of Page 22
  • Component component or of the expander 2 and the associated increase in surface area of the component component or of the expander 2 the individual fibers F and the fiber structure 50 * are significantly charged to train in the fiber direction and thus biased.
  • a force acting perpendicular to the fiber direction in the pressure rod force leads to a bulge and thus to an increase in the diameter of the ball-like or cylindrical shape. This deformation counteract the loaded on train fibers until collapse.
  • the optimum performance parameters of the fibers are exploited spatially. This makes it possible to translate a compressive load for the tensile optimized fibers.
  • a further improvement can be produced by Multiaxialgelege, as they are also illustrated in Figure 3 (at a left end of the illustrated fiber tube 5).
  • a plurality of fiber layers extend as fiber structures 50, 51 and 52, each with parallel individual fibers F at different angles to one another.
  • the fiber tube 5 is defined here by a plurality of fiber bundles of individual fibers F, wherein the individual fiber bundles defining the fiber structures 50 - 52 are each inclined relative to one another or run along different directions.
  • a defined functional component can already be created in the fiber architecture of the component to be produced with such a fiber sheath in which already expandable component components 2 and / or fillers 3 are arranged.
  • This functional assembly then forms the desired and adjustable expansion of the component components 2 a desired support structure in a functional area of the finished component, which is adapted to the loads occurring during normal use.
  • FIGS. 4A to 4D show, in different views and at different stages, a further embodiment variant for the arrangement of expansion-capable component components and fillers with fibers F prior to the arrangement within a cavity.
  • FIG. 4B a fiber mat designed as a fiber base surface 6 is first of all shown in a state in which the fiber base surface 6 is opened by folding it upwards
  • Folding line L outgoing was once opened by a delivery state shown in Figure 4A delivery.
  • a lateral surface 60 thus visible in FIG. 4B forms in the later coiled state of the fiber base surface 6 (see FIG.
  • Component components 200, fillers 3 and optionally additives are included.
  • FIG. 4C shows the fiber base surface 6 in a further unwound state resulting from the unfolding of the fiber base surface 6 starting from the state of FIG. 4B.
  • the thus processed length and width of the newly spread fiber base 6 thus exceeds many times the dimensions of the unwound surface of the component to be produced.
  • FIG. 4C the sections of the fiber base 6 still wound up in FIG. 4B are thus also visible, which are designated as functional regions 61.
  • Functional regions 61 of the fiber base surface 6 are formed by shoulders, recesses and / or cuts in the fiber base surface 6 consisting of fibers F.
  • the specific configuration of the functional regions 61 of the fiber base 6 takes place on the basis of design specifications, in particular on the basis of expected or calculated forces acting on the component to be manufactured during its intended use.
  • the arrangement of the expandable component components 200 and any fillers and additives on the unfolded or unwound functional areas 61 is further carried out on the basis of the force flows occurring within the finished component along predetermined patterns 201 and 202.
  • the fiber base 6 is rewound or rolled up.
  • the fiber materials arranged in the functional areas 61 and expandable component components 200 as well as any fillers and additives are then wrapped or rolled in, so that a coil formed by the fiber base surface 6 is formed, in the interior of which Page 24 components are present and each separated by the individual winding layers of the fiber base 6 from each other.
  • the coiled fiber base 6 is shown in Figure 4D in a cross section.
  • This wound-up fiber base surface 6 is then introduced into the cavity and optionally surrounded with further fibers, expandable component components and / or fillers. With the evacuation of the cavity, the expandable component components 200 expand and so define the final shape of the internal structure of the component to be manufactured prior to the introduction of the matrix material.
  • the lateral surface 60 of the wound-up fiber base surface 6 with the components located therein adjoin an outer wall of the cavity and thus compress the lateral surface 60 during expansion of the expandable component components 200 against this outer wall or against the cavity itself.
  • the inner layers of the fiber base surface 6 are pressed upwards or downwards, that is to say essentially perpendicular to the outer surface 60.
  • the inner structure of the wound fiber base 6 is directed to or is pressed outwards.
  • FIGS. 5A and 5B further illustrate an embodiment variant for the method according to the invention, in which prefabricated fiber structures
  • a centered hexagon in which all edge lengths and rays are of equal length to the center span a surface that does not want to be deformed into the third spatial dimension. This deformation would trigger a complex tensile-pressure behavior, which the hexagonal fiber structure defies.
  • This area is a homeostatic area.
  • the variant embodiment of the method according to the invention provides a hybrid fiber architecture according to these basic geometric rules
  • the hexagonal mat consists of at least two fiber mats as the outer layer.
  • An application-oriented mix of expandable component components, fillers and additives is applied over a wide area.
  • the cutting takes place with individual fibers, rovings and yarns and forms the basic geometric structure.
  • the chambers are fixed with their contents.
  • a CNC sewing machine With the help of the fabric holder, a CNC sewing machine, the diagonal sewing system and the robot-assisted single- and double-sided sewing technology, high accuracy and reproducibility of the products are achieved.
  • the sewing machine parameters such as needle geometry, needle thickness, sewing thread tension and sewing speed, affect the mechanical properties of the end product, as well as the nature of an optional fiber material entrained on the outer sides.
  • the hexagonal mats can be used for the construction of arched surfaces.
  • the angle of suturing is modified or the tension of the entrained fiber material is changed in order to adapt the shape of the triangles dynamically to the curved surfaces in the sense of triangulation of surfaces.
  • a structure is built according to the principle of action of a geodesic dome.
  • a shingle-like structure (not shown) is selected, that is to say the seams do not have to be designed vertically.
  • FIG. 5A Shown schematically in FIG. 5A is a cavity V, in which a plurality of (in the present case two shown) fiber sheathings 5 * are arranged. These fiber sheaths 5 * are Page 26 cylindrical and each have a hexagonal base. This hexagonal base is divided into six sections by six substantially identical triangles, each forming a triangular base for the six six chambers 5a-5f located within the fiber sheaths 5 * .
  • the individual chambers 5a-5f of the fiber cladding 5 * are bounded in each case by three chamber walls W1, W2 and W3, so that the individual chambers 5a-5f are open at the two end faces of the cylindrical fiber cladding 5 * .
  • a chamber 5a-5f is preferably made of a single fiber mat which forms the individual chamber walls W1-W3 by corresponding folding and stitching along seams N.
  • the seams N preferably also connect the chambers 5a-5f with one another in order to form the individual fiber sheathings 5 * .
  • the expandable component components as well as any fillers and optionally additional fibers (not shown here) are arranged.
  • the expandable component components By projecting loose fiber bundles or loose fibers F L , with which the individual chambers 5a - 5f are sewn together, also a connection to another adjacent Faserumhüllung 5 * is possible.
  • adjoining fiber sheathings 5 * are non-positively connected to each other by twisting, stitching or interweaving and thus produce a complex, three-dimensional load-bearing structure within the component to be produced from fibers F, F L , fillers and expandable component components.
  • each chamber wall W1, W2, W3 both radially after Pressed on the outside 27, as well as by the associated with her and also outwardly depressed chamber wall W2, W3; W1, W3 or W1, W2 prevented.
  • a chamber wall W1, which defines a part of an outer surface would be pressed outward as well as such an expansion of the chamber wall W1 would be counteracted by an adjacent chamber wall W1-W3 of an adjacent fiber sheath 5 * .
  • FIG. 5B illustrates another prefabricated fiber structure in the form of a fiber surface 7.
  • This fiber surface 7 is made of several mutually hexagonal sewn fiber mats 7a - 7d.
  • the individual fiber mats 7a-7d are each connected to at least one further fiber mat 7a-7f at the corners of the regular hexagon formed by them so that there is a gap between each of three interconnected fiber mats 7a, 7b and 7c or 7b, 7c and 7d 8 is formed.
  • expansion component components 2 and 200 can be filled or arranged according to the preceding figures, in particular a complex geometric support structure with fibers, fillers and Page 28 to create expandable component components within the component to be produced.
  • a fiber surface 7 according to FIG. 5B is suitable for creating shell-like components in which at least one of the fiber surfaces 7 or also a plurality of fiber surfaces 7 are arranged to create a complex three-dimensional fiber structure within the cavity.
  • the individual fiber mats 7a-7d extend along the hexagonal one Form defining edges and along the seam N fibers F L , which can produce a frictional connection, for example by twisting, sewing or weaving to other fibers F, F L.
  • the chambers are designed to be open to allow direct contact of the fiber filaments and to be fixed as the matrix hardens.
  • FIGS. 6A and 6B illustrate two exemplary embodiments for using a component which has been produced from a composite material according to a method according to the invention.
  • FIGS. 6A and 6B each show a section through an isobaric tank T or T * , which has a plurality of individual diffusion layers D1-D3 or D1 * -D3 * produced according to the invention.
  • a cavity H1, which is defined by the (first) diffusion layer D1 forms an innermost cavity of the isobaric tank T, which lies within the respective larger cavities H2 and H3.
  • the next larger cavity H2, which is defined by the (second) diffusion layer D2 is accordingly within the next larger cavity H3, which is defined by the outermost (third) diffusion layer D3.
  • the isobaric tank T is designed for storage or storage of a gaseous fluid, for example of hydrogen, which is preferably in the innermost cavity H1 Page 29 is filled under high pressure.
  • the individual diffusion layers D1, D2 and D3 are produced by means of the method according to the invention. Due to the possible with the inventive method specific adjustment of the material properties based on the expandable component components are the diffusion layers D1, D2 and D3 from a certain (possibly different from each other) threshold or limit value for a pressure on the respective diffusion layer D1, D2 or D3 is applied, designed to be permeable to the fluid received. In other words, the individual diffusion layers D1, D2 and D3 are open to diffusion at a certain pressure value.
  • the gaseous fluid received therein may at least partially diffuse through the diffusion layer D1 into the adjacent cavity H2 so as to provide relief to the cavity H1.
  • part of the gaseous fluid to be stored within the isobaric tank T is also present in the cavity H2 at a pressure. If this pressure in the second cavity H2 increases by further diffusion through the diffusion layer D1 beyond a further (second) threshold, which is defined for the diffusion layer D2, then the gaseous fluid can move from the cavity H2 via the diffusion layer D2 into the next larger one Reach cavity H3.
  • this illustrated principle of diffusing through the individual diffusion layers D1-D3 of an isobaric tank T can be supplemented almost arbitrarily by further diffusion layers, so that such an isobaric tank has more than the three diffusion layers D1-D3 shown.
  • the outermost diffusion layer (the diffusion layer D3 in FIG. 6A) is separated by a jacket from an outer space of the isobaric tank T, which completely encloses the outermost diffusion layer (here D3) and seals against the outside space.
  • a jacket is not shown in FIGS. 6A and 6B.
  • FIG. 6B also shows a multilayer isobaric tank T * , which has three diffusion layers DT-D3 * of different sizes.
  • the diffusion layers D1 * , D2 * and D3 * are identical in their properties to the diffusion layers D1, D2 and D3 of the isobaric tank T, but have a different shape.
  • the diffusion layers D1 * -D3 * do not enclose a cylindrical cavity with a circular base, but in each case a cuboid cavity HT, H2 * or H3 * .
  • the size of the individual cavities is valid: H3 * > H2 * > H1 * .
  • FIG. 6B illustrates, with the exemplary diffusion directions S 12 and S 23, the diffusion of the gaseous fluid within the isobaric tank T * when the individual set (pressure) threshold values of the diffusion layers D 1 * , D 2 * and D3 * can be achieved.
  • This is further illustrated by the pressures P 1 , p 2 and p 3 in the cavities H1 * , H2 * and H3 * which are plotted in FIG. 6B, p 1 > p 2 > p 3 being valid in this exemplary embodiment.
  • FIGS. 6A and 6B also illustrates the advantages of the method according to the invention, in which specific functionalities, in particular diffusibility and the targeted conduction of components, fillers and additives within a fiber structure for a component produced from a composite material are easily achieved Force flows, recorded and can be adjusted during the manufacture of the component.
  • the thermal conductivity of the component to be produced can be adjusted comparatively easily and in almost any degree of detail.

Abstract

The present invention relates to a method for producing a part (1) made of a composite material made of at least one matrix material (4) and a plurality of fibers (F, FL) embedded therein, wherein the method comprises the following steps: providing a forming cavity (V) for the part (1) to be produced; disposing expandable part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*) in the cavity (V) and fibers (F, FL) at least partially surrounding the expandable part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*); closing the cavity (V) and evacuating the cavity (V) such that the expandable part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*) can expand; expanding the expandable part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*); introducing the at least one matrix material (4) in the form of a fluid into the cavity (V); and removing the part (1) formed of the cured matrix material (4), the expandable part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*), and fiber (F, FL), wherein the expandable part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*) and fibers (F, FL) are embedded in the matrix material (4). In said manner, the expandable part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*) can be disposed within the cavity (V) together with the fibers (F, FL) in a first step, and the desired final fiber courses or fiber structures form only after evacuating the cavity (V), in that the part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*) press the surrounding fibers (F, FL) outward, that is, away from a center point of each of the part components (2, 2*, 20, 21, 200, 200*). Further considerations of the present invention include parts (1) made according to the method according to the invention, and the use of such a part as a diffusion layer (D1-D3, D1 *-D3*) of an isobar tank comprising a plurality of diffusion layers (D1 -D3; D1 *-D3*).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff Method for producing a component from a composite material
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff, der wenigstens aus einem Matrixmaterial und einer Mehrzahl von darin eingebetteten Fasern besteht.The invention relates to a method for producing a component from a composite material which consists of at least one matrix material and a plurality of fibers embedded therein.
Ein solches Bauteil ist Leichtbau und soll Metall, Holz, Plastik, Beton sowie andere Verbundwerkstoffe ersetzen ohne Anwendungsparameter zu reduzieren. Dies soll erreicht werden indem Fasern einem Belastungsprofil des Bauteils entsprechend an beliebigen Positionen innerhalb des Bauteils fixiert werden können. Damit soll ein Bauteil geschaffen werden, das an die bestimmungsgemäßen Einsatz des Bauteils auftretenden Belastungen angepasst ist und im Vergleich zu alternativen Bauformen mit gleicher Festigkeit deutlich leichter ist.Such a component is lightweight and is said to replace metal, wood, plastic, concrete and other composites without reducing application parameters. This is to be achieved by fibers can be fixed according to a load profile of the component according to any position within the component. Thus, a component is to be created, which is adapted to the intended use of the component occurring loads and compared to alternative designs with the same strength is significantly easier.
Aus der EP 0 402 708 A1 ist ein Leichtverbundwerkstoff mit einer Duromermatrix bekannt, in dem Fasern vorzugsweise zunächst in vorgefertigten Gewebelagen vorliegen und diese einzelnen Gewebelagen aufeinander aufgeschichtet mit dem Duromer bzw. duromeren Harz umgeben werden.EP 0 402 708 A1 discloses a lightweight composite material having a duromer matrix in which fibers are preferably initially present in prefabricated fabric layers and these individual fabric layers are stacked on top of one another and surrounded by the thermoset or duromeric resin.
Nachteilig an dem in der EP 0 402 708 beschriebenen Verfahren sowie den damit hergestellten Bauteilen ist die Tatsache, dass eine Schaffung dreidimensionaler Tragstrukturen nur bedingt durch das gezielte Verbinden der einzelnen Gewebelagen möglich ist. Eine nachträgliche, d.h. nach der Anordnung der Gewebelage erfolgende, Anpassung der sich im Inneren des Bauteils zu schaffenden Faserstruktur sowie insbesondere eine gezielte Beeinflussung des Faserverlaufs in alle Raumrichtungen ist nicht möglich. Seite 2A disadvantage of the method described in EP 0 402 708 and the components produced therewith is the fact that the creation of three-dimensional support structures is only possible to a limited extent due to the targeted joining of the individual fabric layers. A subsequent, ie after the arrangement of the fabric layer, adaptation of the fiber structure to be created in the interior of the component and in particular a targeted influencing of the fiber profile in all spatial directions is not possible. Page 2
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile überwindet und die Schaffung eines Bauteils aus einem mit Fasern versehenen Verbundwerkstoff gestattet, bei dem eine Anpassung der räumlichen Struktur der Fasern während des Herstellungsprozesses möglich ist, ohne dass ein Zugriff auf die Fasern von außen nötig ist.The invention is therefore based on the problem of providing a method which overcomes the disadvantages mentioned above and allows the provision of a component made of a fibrous composite, in which an adaptation of the spatial structure of the fibers during the manufacturing process is possible without access on the fibers from the outside is necessary.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This problem is solved according to the invention with the features of claim 1.
Danach ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff vorgesehen, der wenigstens aus einem Matrixmaterial und einer Mehrzahl von darin eingebetteten Fasern besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:Thereafter, there is provided a method of manufacturing a composite component comprising at least one matrix material and a plurality of fibers embedded therein, the method comprising the steps of:
- Bereitstellen einer Form gebenden Kavität für das herzustellende Bauteil,Providing a mold-giving cavity for the component to be produced,
- Anordnung von expansionsfähigen Bauteilkomponenten in der Kavität und die Bauteilkomponenten wenigstens teilweise umgebenden Fasern,Arrangement of expandable component components in the cavity and the component components at least partially surrounding fibers,
- Verschließen der Kavität und Evakuierung der Kavität derart, dass sich die Bauteilkomponenten ausdehnen können,Closing the cavity and evacuating the cavity so that the components of the component can expand,
- Ausdehnen der expansionsfähigen Bauteilkomponenten,Expansion of the expandable component components,
- Einbringen des wenigstens einen Matrixmaterials in Form eines Fluids in die Kavität und- Introducing the at least one matrix material in the form of a fluid in the cavity and
Entnahme des aus dem erhärteten Matrixmaterial, den Bauteilkomponenten und Fasern gebildeten Bauteils, wobei die Bauteilkomponenten und Fasern in dem Matrixmaterial eingebettet sind.Removal of the component formed from the hardened matrix material, the component components and fibers, wherein the component components and fibers are embedded in the matrix material.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere zelluläre Strukturen erzeugen. Damit wird es möglich, Erkenntnisse aus Bionik und Geometrie praktisch und industriell zu realisieren. Des Weiteren können beim Aufbau einer Faserstruktur innerhalb des Bauteils Maßnahmen ergriffen werden, die die physikalischen Eigenschaften des Matrixmaterials gezielt lokal modifizieren.In particular, cellular structures can be produced with the method according to the invention. This makes it possible to realize insights from bionics and geometry practically and industrially. Furthermore, when constructing a fiber structure within the component, measures can be taken which specifically locally modify the physical properties of the matrix material.
Es lassen sich monolithische Bauteile herstellen, die aus einem faserverstärkten Schaum aufgebaut sind. Die Fasern liegen hier dissipativ im Bauteil angeordnet vor.It can be monolithic components manufactured, which are composed of a fiber-reinforced foam. The fibers are here dissipatively in the component before.
In der Grundkonfiguration wird das Bauteil so aus einem homogenen Material gebildet, welches durch funktionale Gruppen in seinem physikalischen Verhalten frei modifiziert werden kann. Zum Aufbau eines solchen Schaums können Fasern und expansionsfähige Seite 3In the basic configuration, the component is thus formed from a homogeneous material, which can be freely modified by functional groups in its physical behavior. To build up such a foam fibers and expandable Page 3
Bauteilkomponenten sowie nachfolgend noch erläuterte Füllstoffe, Trägerkomponenten und Additive in einer Harzmatrix kombiniert werden.Component components and subsequently explained fillers, carrier components and additives are combined in a resin matrix.
Expansionsfähige Bauteilkomponenten können in beliebigen Mischungsverhältnissen aus verschiedenen Funktionsgruppen bestehen. Sie bilden vorzugsweise eine Kernstruktur für einen zellularen Aufbau eines Faserschaums, aus dem das .Bauteil besteht.Expandable component components can consist of different functional groups in any mixing ratios. They preferably form a core structure for a cellular structure of a fiber foam, of which the .Bauteil consists.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können unter anderem auch die nachfolgenden Komponenten zur Herstellung des Bauteils zum Einsatz kommen:In carrying out the process according to the invention, inter alia, the following components can also be used for the production of the component:
1. Füllstoffe: zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Bauteils, die wenigstens die Bauteilkomponenten und/oder die Fasern abschnittsweise umgeben; werden vorzugsweise (lose) eingeschüttet;1. Fillers: for influencing the mechanical properties of the component to be produced, which surround at least the component components and / or the fibers in sections; are preferably poured in (loose);
2. Trägerkomponenten: zur Schaffung einer innerhalb des herzustellenden Bauteils Kräfte leitenden Tragstruktur, die wenigstens von Bauteilkomponenten und Fasern zumindest abschnittsweise umgeben sind; ihre Kerne können von kraftschlüssig mit ihnen verbundenen Fasern umgeben sein, typischerweise sind sie durch hohes Volumen bei geringem Gewicht gekennzeichnet;2. Carrier components: to create a supporting structure which is conductive within the component to be produced and at least partially surrounded by component components and fibers; their cores may be surrounded by frictionally bonded fibers, typically characterized by high volume and low weight;
3. Additive: chemisch/kristallographisch mit dem Matrixmaterial reagierende Stoffe, die zur Beeinflussung der Eigenschaften der erstarrten Harzmatrix und damit zur Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils genutzt werden;3. Additives: chemical / crystallographic substances which react with the matrix material and which are used to influence the properties of the solidified resin matrix and thus to influence the material properties of the component to be produced;
4. Expander: mit Gas und/oder Trägerkomponenten gefüllte und gasdicht abgeschlossene Hohlkörper als expansionsfähige Bauteilkomponenten, die unter relativem Unterdruck ihr Volumen vergrößern. Typischerweise sind sie mit einem Elastomer oder Latex umgeben bzw. überzogen.4. Expander: filled with gas and / or carrier components and gas-tight closed hollow body as expandable component components that increase their volume under relative negative pressure. Typically, they are surrounded or coated with an elastomer or latex.
Erfindungsgemäß können mit Gas gefüllte expansionsfähige Bauteilkomponenten bzw. Expander zusammen mit den Fasern und Trägerkomponenten in einem ersten Schritt innerhalb der Kavität angeordnet werden. Die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bilden dabei bevorzugt den Kern zum Aufbau zellulärer Strukturen innerhalb des Bauteils.According to the invention, gas-filled expandable component components or expander can be arranged together with the fibers and carrier components in a first step within the cavity. The expandable component components preferably form the core for building cellular structures within the component.
Erst mit der Evakuierung der Kavität bilden sich die gewünschten endgültigen Faserverläufe bzw. Faserstrukturen aus, indem die expansionsfähigen Seite 4Only with the evacuation of the cavity, the desired final fiber profiles or fiber structures are formed by the expandable page 4
Bauteilkomponenten, die sie umgebenden Fasern und Trägerkomponenten nach außen drücken, d.h. sie z.B. von einem Mittelpunkt des jeweiligen Expanders weg bewegen.Component components that push surrounding fibers and carrier components outward, i. they e.g. move away from a mid-point of the respective expander.
Darüber hinaus können konstruktiv benötigte oder funktional gewünschte Hohlräume bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch entsprechend platzierte und in der Größe und Form angepasste Expander in dem herzustellenden Bauteil angelegt werden.In addition, constructively required or functionally desired cavities can be created in the inventive method by appropriately placed and adapted in size and shape expander in the component to be produced.
In einer Weiterbildung können die Bauteilkomponente oder die mit ihnen gebildeten Expander derart ausgeführt sein, dass sie nur an definierten Stellen und damit auch nicht in bestimmte, vorgegebene Raumrichtungen expandieren können. Vorzugsweise expandieren die Bauteilkomponenten oder Expander jedoch bei der Evakuierung der Kavität in alle Raumrichtungen nahezu gleichmäßig.In a development, the component component or the expander formed with them can be designed such that they can expand only at defined locations and thus not in certain, predetermined spatial directions. Preferably, however, the component components or expander expand in the evacuation of the cavity in all directions almost uniformly.
Obwohl dementsprechend die Bauteilkomponenten und Expander eine nahezu beliebige geometrische Form aufweisen können, werden beide vorzugsweise sphärisch ausgeführt.Accordingly, although the component components and expander may have almost any geometric shape, both are preferably made spherical.
Als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Expander eignen sich insbesondre Elastomere, Naturgummi z.B. Latex, damit das in ihnen oder in der in ihrem Inneren befindlichen Bauteilkomponente eingeschlossene Gas unter relativem Unterdruck expandieren kann.Particularly suitable starting materials for the production of the expanders are elastomers, natural rubber, e.g. Latex, so that the gas trapped in them or in the component component inside it can expand under a relatively low pressure.
Expander sind dementsprechend beispielsweise mit Gas gefüllte Ballons oder verfügen über Gas speichernde Kerne z.B. Styropor, können aber auch - wie bereits obig ausgeführt - von Elastomeren umschlossene Trägerkomponenten sein. Insbesondere durch Trägerkomponenten gestützte Expander ermöglichen ein stabiles Volumen unter Normaldruck, was einen präziseren Aufbau der Faserarchitektur erlaubt.Accordingly, expanders are, for example, gas-filled balloons or have gas-storing cores, e.g. Styrofoam, but can also - as already stated above - be enclosed by elastomers carrier components. In particular supported by carrier components expanders allow a stable volume under normal pressure, which allows a more precise structure of the fiber architecture.
Des Weiteren bilden die expansionsfähigen Bauteilkomponenten mit den Trägerkomponenten Kerne der zellulären Strukturen. Solche Kerne können beliebige räumliche Dimensionen haben sind aber stets fest. Mit ihnen kraftschlüssig verbundene Faserfilamente können sich mit Filamenten benachbarter expansionsfähiger Bauteilkomponenten verbinden. Faserfilamente können hierbei anforderungsspezifisch in Form von verklebten bzw. mechanisch verbundenen Kurz- und Langschnittfasern sowie zusammen mit Füllstoffen anfallen. Seite 5Furthermore, the expandable component components with the carrier components form cores of the cellular structures. Such cores can have any spatial dimensions but are always fixed. Fiber filaments connected non-positively to them can bond with filaments of adjacent expandable component components. In this case, fiber filaments can be produced in a specific manner in the form of bonded or mechanically bonded short and long cut fibers and together with fillers. page 5
Darüber hinaus können die expansionsfähigen Bauteilkomponenten in Fasergelegen, Faserschläuchen, Matten etc. oder Füllstoffen eingebettet werden. Sie bilden damit einen Grundstock einer räumlich zellulären Struktur.In addition, the expandable component components can be embedded in fiber layers, fiber hoses, mats, etc. or fillers. They thus form a basis of a spatially cellular structure.
Weiterhin können Samen von Pflanzen bzw. deren Nachbauten als expansionsfςihige Bauteilkomponenten zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen nach Einfüllen des Matrixmaterials durch Bestrahlung mit Mikro- oder Infrarotwellen eine (zweite) Expansionsstufe innerhalb des Bauteils. Dies kann in einer Ausführungsvariante auch als zusätzlicher Verfahrensschritt nach der Einbringung des Matrixmaterials erfolgen. Hierbei würde folglich die Ausdehnung dieser Bauteil komponenten auf ihre endgültige Größe erst innerhalb des hergestellten bzw. zumindest bereits das Matrixmaterial aufweisenden Bauteils erfolgen. Auf diese Weise lassen sich die gewünschten Faserstrukturen innerhalb des herzustellenden Bauteils gegebenenfalls noch besser einstellen, entstandene und unerwünschte Lunker innerhalb des Matrixmaterials vermeiden bzw. überschüssiges Harz aus dem Bauteil pressen.Furthermore, seeds of plants or their replicas can be used as expansion-capable component components. These allow for filling of the matrix material by irradiation with micro or infrared waves, a (second) expansion stage within the component. This can also be done in an embodiment variant as an additional process step after the introduction of the matrix material. Consequently, the expansion of these component components to their final size would take place only within the component produced or at least already having the matrix material. In this way, the desired fiber structures within the component to be produced can optionally be adjusted even better, avoiding undesired voids within the matrix material or pressing excess resin out of the component.
Typischerweise wird ein Harz als Matrixmaterial eingesetzt und mit einem Harz- Injektions- oder Infusionsverfahren mit der Faser(innen)struktur zum Bauteil ausgehärtet. Bevorzugt setzt das erfindungsgemäße Verfahren Teile eines „Vakuum Assisted Resin Injection"- (VARI) oder „Resin Transfer Moulding" (RTM)-Verfahrens [„Vakuum unterstützten Harzinjektions-" oder ,,Harztransferformungs"-Verfahrens] und deren Weiterentwicklungen um, bei denen jeweils ein Unterdruck in einer Kavität aufgebaut wird.Typically, a resin is used as a matrix material and cured by a resin injection or infusion process with the fiber (inner) structure to the component. Preferably, the process of the present invention implements parts of a "vacuum assisted resin injection" (VARI) or "resin transfer molding" (RTM) process ("vacuum assisted resin injection" or "resin transfer molding" process) and their advancements in which in each case a negative pressure is built up in a cavity.
Wie bereits mehrfach dargelegt, kann das herzustellende Bauteil durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit funktionalen Baugruppen ausgestattet werden. Diese ermöglichen unter anderem Eigenschaftsmodifizierungen eines Faserschaums im Bauteil.As already stated several times, the component to be produced can be equipped by applying the method according to the invention with functional assemblies. These allow, among other things, property modifications of a fiber foam in the component.
Das Einbringen eines oder mehrerer durchgängiger Schläuche kann dabei auch den Transport von Flüssigkeiten und Gasen durch das Bauteil ermöglichen. Diese können zudem weiterhin das Auffüllen mit funktionalen Gasen und Flüssigkeiten bzw. das Evakuieren derartiger Fluide ermöglichen, wodurch weitere Eigenschaftserweiterungen für das herzustellende Bauteil resultieren.The introduction of one or more continuous hoses can also allow the transport of liquids and gases through the component. These can also continue to allow filling with functional gases and liquids or the evacuation of such fluids, resulting in further property extensions for the component to be produced.
Der Faservolumenanteil zwischen den expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Fasern und zu einer durch die Kavität definierten äußeren Form wird durch den Druck Seite 6 aus den Bauteilkomponenten bzw. Expandern gezielt reguliert. Es ist möglich Menge, Größe, Innendruck und Material der expansionsfähigen Bauteilkomponenten zu definieren, um den Faservolumenanteil einzustellen.The fiber volume fraction between the expandable component parts and fibers and to an outer shape defined by the cavity is due to the pressure Page 6 from the component components or expanders specifically regulated. It is possible to define the amount, size, internal pressure and material of the expandable component parts to adjust the fiber volume fraction.
Derart ist unter anderem die Schaffung räumlich in sich strukturierter, als monolithisch zu bezeichneter Bauteile möglich, deren Aufbau als bionisch (der Natur nachempfunden) charakterisiert werden kann. Darüber hinaus können Geometriekomplexitäten aus innovativen Konzepten wie minimalisierter Geometrie (z.B. Tensegrity [englisches Kunstwort aus „tension" (Spannung) und „integrity" (Integrität) für eine bestimmte Art eines Tragwerksystems], Korpuskelgeometrie) realisiert werden.In this way, among other things, it is possible to create spatially structurally structured components which can be described as monolithic, whose construction can be characterized as bionic (modeled on nature). In addition, geometry complexities can be realized from innovative concepts such as minimized geometry (e.g., tensegrity, tension, and integrity for a particular type of structural system, body geometry).
Erfindungsgemäß ist eine gezielte Anpassung des Faserverlaufs durch die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bzw. durch ihre Ausführungsform als Expander gewährleistet, die gegebenenfalls durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien auch unterschiedlich expansionsfähig sein können.According to the invention, a targeted adaptation of the fiber profile is ensured by the expandable component components or by their embodiment as expanders, which may optionally also be capable of different expansion by the use of different materials.
Die Fasern können je nach benötigtem Belastungsprofil und Einsatzzweck in Richtung einer im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils auftretenden Kraft positioniert werden und werden vorzugsweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im gesamten herzustellenden Bauteil dreidimensional verbunden.Depending on the required load profile and intended use, the fibers can be positioned in the direction of a force occurring in the intended use of the component and are preferably connected three-dimensionally in the entire component to be produced in the method according to the invention.
Vorzugsweise liegt der Faservolumenanteil des herzustellenden Bauteils zwischen 15- 90%.Preferably, the fiber volume fraction of the component to be produced is between 15-90%.
Es ist dabei zunächst grundsätzlich unerheblich, ob die Faserstrukturen im Nano- oder Makrobereich herzustellen sind, da durch eine Skalierung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten eine Anpassung der Faserstruktur nicht nur beliebig detailliert möglich ist, sondern auch unabhängig von der Größe oder der Form des herzustellenden Bauteils ist.It is fundamentally irrelevant in the first place whether the fiber structures are to be produced in the nano- or macro-range, because an adjustment of the fiber structure is not only arbitrarily detailed possible by a scaling of the expandable component components, but is also independent of the size or shape of the component to be produced.
Dabei werden unter den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Fasern beispielsweise textile Fasern, Glasfasern, Metallfasern oder Kohlenstofffasern verstanden. Darüber hinaus können mikrostrukturierte und alle organischen Fasern zum Einsatz kommen.In this case, the fibers used in the process according to the invention are understood as meaning, for example, textile fibers, glass fibers, metal fibers or carbon fibers. In addition, microstructured and all organic fibers can be used.
Als Kavität wird jedwede feste oder flexible Negativform verstanden, die die spätere Außenform des herzustellenden Bauteils bestimmt. Es kann sich hierbei insbesondere Seite 7 um eine starre Schale, eine geschlossene Spritzgussform oder einen Vakuumsack mit flexiblen Mantelflächen handeln.As a cavity, any solid or flexible negative mold is understood, which determines the later outer shape of the component to be produced. It may be this particular Page 7 is a rigid shell, a closed injection mold or a vacuum bag with flexible lateral surfaces.
Weiterhin können die Fasern bereits unmittelbar an den noch nicht expandierten Bauteilkomponenten anliegen oder zunächst lose innerhalb der Kavität unterbracht sein. Dies bedeutet, dass die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bereits vor Ihrer Anordnung in der Kavität wenigstens teilweise mit Fasern umgeben sein können und z.B. mit Fasern umwickelt sind.Furthermore, the fibers may already rest directly on the not yet expanded component components or initially be placed loosely within the cavity. This means that the expandable component components may already be at least partially surrounded by fibers prior to their placement in the cavity, and e.g. are wrapped with fibers.
Alternativ oder zusätzlich können geordnete oder ungeordneten lose Fasern separat von den expansionsfähigen Bauteilkomponenten in der Kavität angeordnet werden und beispielsweise die expansionsfähige Bauteilkomponenten in ein bereits in der Kavität befindliches Fasermaterial lose oder in einem spezifischen Muster eingebracht werden.Alternatively or additionally, ordered or disordered loose fibers can be arranged separately from the expandable component components in the cavity and, for example, the expandable component components can be introduced loosely or in a specific pattern into a fiber material already in the cavity.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten innerhalb der Kavität nach einem vordefinierten Muster, durch das in dem fertig gestellten Bauteil voneinander abgrenzbare Funktionsbereiche entstehen, die jeweils für die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils auftretenden Belastungen bzw. Kräfte optimiert sind. Dementsprechend werden vordefinierte Bereiche des herzustellenden Bauteils zu funktionalen Gruppen zusammengefasst, die zur Aufnahme von definierten Belastungen wie Stoß, Zug oder Rotation dienen. Diese Bereiche können demnach Fasern in notwendiger Dichte und/oder Orientierung aufweisen, wobei ein gewünschter, endgültiger Faserverlauf mittels der expansionsfähigen Bauteilkomponenten eingestellt und justiert werden kann. Das Bauteil ist demnach in sich und nahezu beliebig nach Leistungsparametern strukturierbar.In a preferred embodiment, the arrangement of the expandable component components within the cavity is carried out according to a predefined pattern, by the delimited functional areas arise in the finished component, which are each optimized for the loads or forces occurring in the intended use of the component. Accordingly, predefined regions of the component to be produced are combined to form functional groups which serve to absorb defined loads such as impact, tension or rotation. Accordingly, these regions can have fibers in the necessary density and / or orientation, wherein a desired, final fiber profile can be adjusted and adjusted by means of the expandable component components. The component is therefore structurable in itself and almost arbitrarily according to performance parameters.
Um eine möglichst homogene Struktur innerhalb des Bauteils zu realisieren, ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt vorgesehen, dass die Fasern dreidimensional untereinander bzw. miteinander verdrillt/vernäht und/oder untereinander bzw. miteinander gezielt kraftschlüssig verbunden werden. Zusätzlich können die Bauteilkomponenten, Expander und/oder Fasern mit Füllstoffen und Additiven behandelt werden.In order to realize the most homogeneous possible structure within the component, it is preferably provided in the context of the method according to the invention that the fibers are three-dimensionally twisted / sewn together and / or positively connected with each other or with each other. In addition, the component components, expanders and / or fibers can be treated with fillers and additives.
Zur einfacheren Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten in festgelegten Mustern innerhalb der Kavität und um die gezielte Schaffung von zuvor definiertenFor easier arrangement of the expandable component components in specified patterns within the cavity and for the targeted creation of previously defined
Strukturen durch die expansionsfähigen Bauteilkomponenten und die Fasern zu erleichtern, werden die expansionsfähigen Bauteilkomponenten in einem Seite 8To facilitate structures through the expandable component components and the fibers, the expandable component components in a page 8
Ausführungsbeispiel in wenigstens einer vorgefertigten Faserumhüllung und/oder auf einer Faserfläche angeordnet. Diese Faserumhüllung oder Faserfläche ist jeweils aus Fasern, insbesondere aus Faserfilamenten, Faserrovings, Fasergelegen, einzelnen Fasermatten oder wenigstens einem Faserschlauch hergestellt.Embodiment arranged in at least one prefabricated Faserumhüllung and / or on a fiber surface. This fiber cladding or fiber surface is in each case made of fibers, in particular of fiber filaments, fiber rovings, fiber layers, individual fiber mats or at least one fiber hose.
In einer darauf basierenden Ausführungsform werden expansionsfähige Bauteilkomponenten innerhalb wenigstens einer aus einem Faserschlauch gebildeten Faserumhüllung oder einer aus mehreren Einzelkammern bestehende Faserumhüllung angeordnet. Diese Faserumhüllung wird innerhalb der Kavität platziert und stellt damit bereits eine Grundstruktur für die innerhalb des herzustellenden Bauteils zu realisierende Faserstruktur dar, bevor die Kavität evakuiert und das Matrixmaterial eingebracht wird.In an embodiment based thereon, expandable component components are arranged within at least one fiber sheath formed from a fiber tube or a fiber sheath consisting of a plurality of individual chambers. This fiber sheath is placed within the cavity and thus already constitutes a basic structure for the fiber structure to be realized within the component to be produced, before the cavity is evacuated and the matrix material is introduced.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass expansionsfähige Bauteilkomponenten auf einer im Wesentlichen ebenen, ausgebreiteten Faserfläche mit Fasermaterial angeordnet werden, die derart aufgewickelt wird, dass sich die darauf angeordneten Komponenten im Inneren der aufgewickelten Faserfläche befinden, und die aufgewickelte Faserfläche in der Kavität angeordnet wird, bevor das Matrixmaterial in die Kavität eingebracht wird.Alternatively or additionally, it can be provided that expandable component components are arranged on a substantially flat, spread-out fiber surface with fiber material which is wound in such a way that the components arranged thereon are located inside the wound-up fiber surface and the wound-up fiber surface is arranged in the cavity before the matrix material is introduced into the cavity.
Die gesamte innere und äußere Struktur des Bauteils wird mit anderen Worten in die Faserfläche abgewickelt. Zum Strukturaufbau wird die Faserfläche mit expansionsfähigen Bauteilkomponenten z.B. teilweise in Form von Expandern sowie ggf. mit funktionalen Bestandteilen, wie z.B. Füllstoffen und/oder Additiven, belegt und danach eingerollt, bis die Faserfläche in Form eines Wickels vorliegt. Dieser wird in die Kavität eingebracht, die geschlossen und evakuiert wird. Dabei dehnen sich die Bauteilkomponenten bzw. Expander aus und pressen die Außenlage der gewickelten Faserfläche gegen die Innenwände der Kavität und richten die innerhalb der Faserfläche vorliegende Struktur auf.In other words, the entire inner and outer structure of the component is unwound into the fiber surface. For structural construction, the fiber surface is provided with expandable component parts, e.g. partly in the form of expanders and optionally with functional ingredients, e.g. Fillers and / or additives, coated and then rolled until the fiber surface is in the form of a coil. This is introduced into the cavity, which is closed and evacuated. In the process, the component components or expander expand and press the outer layer of the wound fiber surface against the inner walls of the cavity and establish the structure present within the fiber surface.
Ebenso können expansionsfähigen Bauteilkomponenten auf einer Faserfläche angeordnet werden, die, unabhängig davon, ob diese aufgewickelt wird oder nicht, aus einzelnen flächig miteinander verbundenen Fasermatten besteht.Likewise, expandable component components can be arranged on a fiber surface, which, regardless of whether this is wound or not, consists of individual surface-connected fiber mats.
Um innerhalb des herzustellenden Bauteils tragfähigere und formgebende Tragstrukturen zu definieren, die nicht ausschließlich von den expansionsfähigen Bauteilkomponenten abhängen und somit noch gezielter an die auftretenden Belastungen angepasst werden können, werden vorzugsweise vor der Evakuierung der Kavität Füllstoffe in der Kavität Seite 9 angeordnet, die die expansionsfähigen Bauteilkomponenten zumindest abschnittsweise umgeben.In order to define more load-bearing and shaping support structures within the component to be produced, which are not exclusively dependent on the expandable component components and thus can be adapted more specifically to the loads occurring, fillers in the cavity are preferably before the evacuation of the cavity Page 9 arranged, which surround the expandable component components at least in sections.
Mittels der hinzu gegebenen Füllstoffe kann der Faservolumenanteil reguliert werden und die Spezifizierung der physikalischen Eigenschaften der Matrix gesteuert werden. So erfolgt eine Expansion der Bauteilkomponenten innerhalb der Kavität in einem durch dasBy means of the added fillers, the fiber volume fraction can be regulated and the specification of the physical properties of the matrix controlled. Thus, an expansion of the component components within the cavity takes place in a through the
Fasermaterial und die Füllstoffe verkleinerten Volumen, so dass die Füllstoffe, etwaigeFiber material and the fillers reduced volume, so that the fillers, any
Trägerkomponenten und Fasern durch die sich ausdehnenden Bauteilkomponenten bzw. Expander verdichtet werden. Durch das nachträglich eingebrachte Matrixmaterial werden dann bereits durch die expansionsfähigen Bauteilkomponenten, Fasern undCarrier components and fibers are compressed by the expanding component components or expander. By subsequently introduced matrix material are then already by the expandable component components, fibers and
Füllstoffe gebildeten Tragstrukturen in dem Bauteil fixiert.Fillers formed supporting structures fixed in the component.
Die Füllstoffe können weiterhin in/auf die vorgefertigten Faserumhüllungen eingebracht werden und/oder zumindest abschnittsweise die vorgefertigten Faserumhüllungen umgeben. Ebenso können Füllstoffe in Zwischenräume oder Kammern einer oben erläuterten Faserfläche eingebracht werden, wobei die Zwischenräume durch Bereich der Faserfläche gebildet sind, in denen die Fasermatten, aus denen die Faserfläche besteht, nicht miteinander verbunden sind.The fillers may furthermore be introduced into / on the prefabricated fiber sheathings and / or at least partially surround the prefabricated fiber sheathings. Likewise, fillers may be introduced into interstices or chambers of a fiber surface discussed above, the interstices being formed by area of the fiber surface in which the fiber mats making up the fiber surface are not interconnected.
Des Weiteren können Füllstoffe der Harzmatrix vor der Injektion/Infusion zugesetzt werden.Furthermore, fillers may be added to the resin matrix prior to injection / infusion.
Bei Füllstoffen handelt es sich beispielsweise um faser- nadel-, platten- oder teilchenförmige und/oder mineralische Stoffe, insbesondere weisen sie Kohlenstofffasern, Glasfasern, Glaskugeln, amorphe Kieselsäure, Asbest, Calciumsilicat, Calciummetasilicat, Magnesiumcarbonat, Kaolin, calciniertes Kaolin, Kreide, gepulverten Quarz, Glimmer, Bariumsulfat, Feldspat, Aramid-Fasern, Kaliumtitanat-Fasem, nadeiförmigen Wollastonit, Talkum, Böhmit, Bentonit, Montmorillonit, Vermicullit, Hektorit oder Laponit etc. . Partikel aus Kautschuk, Metallpulver, Farbstoffe, Pigmente und deren Bindemittel sowie Haftvermittler, organische Füllstoffe wie Holzmehl können eingesetzt werden.Fillers are for example fiber-needle, plate or particulate and / or mineral substances, in particular carbon fibers, glass fibers, glass beads, amorphous silica, asbestos, calcium silicate, calcium metasilicate, magnesium carbonate, kaolin, calcined kaolin, chalk, powdered Quartz, mica, barium sulfate, feldspar, aramid fibers, potassium titanate fibers, acicular wollastonite, talc, boehmite, bentonite, montmorillonite, vermicullite, hectorite or laponite, etc. Particles of rubber, metal powders, dyes, pigments and their binders and adhesion promoters, organic fillers such as wood flour can be used.
Bei den aufzubringenden Füllstoffen kann es sich beispielsweise auch um in einem Lösungsmittel enthaltene Kohlenstoffnanoröhren ("carbon nano tubes", CNT), oder Micorballons etc. handeln, die auf die expansionsfähigen Bauteilkomponenten, Fasern und/oder Füllstoffe aufgesprüht werden. Seite 10The fillers to be applied may, for example, also be carbon nanotubes ("CNTs") contained in a solvent, or micorbalons, etc., which are sprayed onto the expandable component components, fibers and / or fillers. Page 10
Mit solchen Kohlenstoffnanoröhren können zusätzliche Verstärkungseffekte erzielt werden und kann das herzustellende Bauteil lokal oder großflächig zusätzlich mit einer größeren Festigkeit versehen werden.With such carbon nanotubes, additional reinforcement effects can be achieved and the component to be produced can additionally be provided with greater strength locally or over a large area.
Der Verbund zwischen Fasern und Harzmatrix bzw. Matrixmaterial erfolgt physikalisch. Adhäsionskräfte verbinden Fasern und Matrix. Zusätzlich sorgen Oberflächenfehler der Fasern und das darin z.B. in Form eines Harzes einfließende Matrixmaterial für verstärkte Reibung zwischen Fasern und Matrix. Diese Eigenschaften können durch die Füllstoffe, die Oberflächenstruktur der Fasern und die Viskosität des Harzes reguliert werden.The bond between fibers and resin matrix or matrix material takes place physically. Adhesive forces connect fibers and matrix. In addition, surface defects of the fibers and the therein e.g. resinous matrix material for increased friction between fibers and matrix. These properties can be regulated by the fillers, the surface structure of the fibers and the viscosity of the resin.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Einbringung des Matrixmaterials bevorzugt nach der Evakuierung der Kavität, so dass bereits expandierte Bauteilkomponenten vorliegen, wenn das Matrixmaterial, beispielsweise ein Harz, zugeführt wird. Des Weiteren kann der Unterdruck während und nach dem Einfüllen des Harzes reguliert werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Expansion der Bauteilkomponenten erst nach der vollständigen oder teilweisen Befüllung der Kavität mit Matrixmaterial realisiert wird. In einem solchen Fall würden sich folglich die Bauteilkomponenten zumindest teilweise bereits innerhalb eines flüssigen Matrixmaterials befinden, wenn sie sich ausdehnen.In carrying out the method according to the invention, the introduction of the matrix material preferably takes place after the evacuation of the cavity so that already expanded component components are present when the matrix material, for example a resin, is supplied. Furthermore, the negative pressure can be regulated during and after the filling of the resin. However, it can also be provided that an expansion of the component components is realized only after the complete or partial filling of the cavity with matrix material. In such a case, therefore, the component components would at least partially already be within a liquid matrix material as they expand.
Zur weiteren gezielten Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils kann das erfindungsgemäße Verfahren um eine Gasinjektion in das Bauteil vor während und/oder nach dem Erhärten des Matrixmaterials ergänzt werden. Darunter wird beispielsweise verstanden, dass in die expandierten Expander lokal Gas injiziert wird. Dies ist eine dritte Möglichkeit den Forminnendruck und damit den Faservolumenanteil zu regulieren.For further targeted influencing of the material properties of the component to be produced, the method according to the invention can be supplemented by a gas injection into the component before and / or after hardening of the matrix material. This is understood to mean, for example, that gas is injected locally into the expanded expander. This is a third way to regulate the cavity pressure and thus the fiber volume fraction.
Insbesondere diese Expander können durch ihre physikalische Verbindung zum äußeren des Bauteils auch nach Aushärtung funktional zum Transport oder Lagerung von Stoffen genutzt werden.In particular, these expander can be used by their physical connection to the outside of the component even after curing functionally for the transport or storage of substances.
Zur Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils werden vor dem Einbringen des Matrixmaterials in die Kavität in einer Ausführungsvariante Additive auf die Bauteilkomponenten, auf Fasern und Füllstoffe aufgebracht.In order to influence the material properties of the component to be produced, additives are applied to the component components, to fibers and fillers in one embodiment prior to introduction of the matrix material into the cavity.
Unter Additiven werden hierbei insbesondere Zuschlagstoffe verstanden, die die Kristallisation des Matrixmaterials, z.B. eines Harzes, beeinflussen. Durch chemische Seite 11In this context, additives are understood as meaning, in particular, additives which influence the crystallization of the matrix material, for example of a resin. By chemical Page 11
Reaktion beeinflussen sie die Form und Größe der Kristalle der erstarten Harzmatrix. Diese beeinflussen physikalische Parameter des Harzes wie Festigkeit Härte Temperaturbeständigkeit, chemische Reaktivität, Porosität etc.Reaction they affect the shape and size of the crystals of the erstarten resin matrix. These influence physical parameters of the resin such as hardness hardness temperature resistance, chemical reactivity, porosity etc.
Teil der vorliegenden Erfindung ist unter anderem, dass die Eigenschaften der Harzmatrix im monolithischen Bauteil in einem Guss gezielt dynamisch reguliert werden können. Durch Aufsprühen oder allgemein Aufbringen der Additive auf den Preform, befinden sich die Additive schon am Ort der gewünschten Eigenschaft im Bauteil. Dies kann jedoch in allen Faserverbundstofftechniken angewendet werden.Part of the present invention is, inter alia, that the properties of the resin matrix in the monolithic component in a single casting can be controlled dynamically targeted. By spraying or generally applying the additives to the preform, the additives are already at the location of the desired property in the component. However, this can be applied in all fiber composite techniques.
Es gelingt somit eine Harzmatrix aus dem Matrixmaterial durch die Einbringung von Additiven aber auch Füllstoffen lokalisiert zu beeinflussen (Kristallisation, Dichte, Länge der Polymerketten und deren Auffaltung, physikalisches und chemisches Verhalten, Dauer und Position des Glasübergangspunktes). Durch Aufbringen von Additiven und/oder Einbringen von Füllstoffen kann darüber hinaus die Harzmatrix beim Einfließen in die Kavität in ihrem Verhalten in dem herzustellenden Bauteil dynamisch variiert werden. Diese Additive/Füllstoffe werden auf die Preform, d.h. insbesondere die Faserarchitektur bzw. die in der Kavität bereits angeordneten Komponenten des Verbundwerkstoffes, vor der Evakuierung aufgebracht. Damit nimmt eine fortschreitende Harzfront des eingebrachten Matrixmaterials die Additive an konstruktionsdeterminierten Positionen auf und bestimmt lokal die Eigenschaften des dort erstarrten Harzes. Dadurch wird das Bauteil in relativ einfacher Weise mit komplexen z.B. mechanischen Eigenschaften definiert. Durch Additive kann an festgelegten Punkten das Harz jedoch weiterhin marktüblich geschäumt werden.Thus, it is possible to influence a matrix of resin from the matrix material by incorporating additives but also localized fillers (crystallization, density, length of the polymer chains and their unfolding, physical and chemical behavior, duration and position of the glass transition point). By applying additives and / or introducing fillers, moreover, the resin matrix can be varied dynamically as it flows into the cavity in terms of its behavior in the component to be produced. These additives / fillers are applied to the preform, i. in particular, the fiber architecture or the already arranged in the cavity components of the composite, applied before evacuation. Thus, a progressing resin front of the introduced matrix material absorbs the additives at design-determined positions and locally determines the properties of the resin solidified there. This makes the component relatively complex with e.g. defined mechanical properties. With additives, however, the resin can still be foamed in the marketplace at specified points.
Als Matrixmaterial kann ein Harz eingesetzt werden. Insbesondere kann das Matrixmaterial ein Duromer, ein Elastomer oder ein Thermoplast aufweisen. Auch kann das Matrixmaterial ein Biopolymer aufweisen, das im Wesentlichen aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird.As the matrix material, a resin can be used. In particular, the matrix material may comprise a duromer, an elastomer or a thermoplastic. The matrix material may also comprise a biopolymer which is essentially obtained from renewable raw materials.
Als Duromer werden überwiegend Epoxid(EP)-harze, ungesättigte Polyester (UP)-harze und Vinylester(VE)-harze verwendet. Außerdem können je nach Anwendungszweck Phenol(PF)-harze, Polyamide und Bismaleinimide Verwendung finden.As a thermoset mainly epoxy (EP) resins, unsaturated polyester (UP) resins and vinyl ester (VE) resins are used. In addition, depending on the application phenol (PF) resins, polyamides and bismaleimides can be used.
Unvernetzte Polymere werden durch die Vulkanisation mit Schwefel zu Elastomeren, die insbesondere auch für die Herstellung der Expander eingesetzt werden können. Als Ausgangsstoff dient Kautschuk, der u.a. in Form von Naturkautschuk, Isoprenkautschuk Seite 12 und Butadienkautschuk zum Einsatz kommt. Neben den räumlich vernetzten Elastomeren gibt es die thermoplastischen Elastomere. Eingesetzt werden z.B. Styrol- Butadien-Styrol-Dreiblockcopolymere, Polyurethane, Elastomer-Thermoplastverschnitte (z.B. EPDM/PP, NR/PP).Uncrosslinked polymers are vulcanized with sulfur to elastomers, which can be used in particular for the production of the expander. The starting material is rubber, which, inter alia, in the form of natural rubber, isoprene rubber Page 12 and butadiene rubber is used. In addition to the spatially crosslinked elastomers, there are the thermoplastic elastomers. Used are, for example, styrene-butadiene-styrene triblock copolymers, polyurethanes, elastomer thermoplastic blends (eg EPDM / PP, NR / PP).
Im Bereich der Thermoplaste werden teilkristallines wie Polypropylen (PP), Polyamid (PA) und amorphe Thermoplaste wie Polysterol (PS), Polycarbonat (PC) eingesetzt. Als Matrix eignen sich vor allem Polypropylen(PE), die gesättigten Polyester Polybutylentherephtalat (PBT) und Polyethylentherephtalat (PET) sowie Polyamide (PA). Hoch wäremeformbeständige thermoplastische Matrixmaterialien sind Polysulfon (PSU), Polyethersulfon (PES), Polyphenylensulfid (PPS) sowie Polyetheretherketon (PEEK) und Polyetherimid (PEI).In the field of thermoplastics, semi-crystalline materials such as polypropylene (PP), polyamide (PA) and amorphous thermoplastics such as polystyrene (PS), polycarbonate (PC) are used. Particularly suitable as the matrix are polypropylene (PE), the saturated polyesters, polybutylene terephthalate (PBT) and polyethylene terephthalate (PET) and polyamides (PA). High heat-resistant thermoplastic matrix materials include polysulfone (PSU), polyethersulfone (PES), polyphenylene sulfide (PPS), as well as polyetheretherketone (PEEK) and polyetherimide (PEI).
Beispiele für geeignete Ausgangsmaterialien sind vorzugsweise die natürlichen Fette und Öle von Raps, Sonnenblumen, Soja, Lein, Hanf, Rizinus, Kokosnüssen, Ölpalmen,Examples of suitable starting materials are preferably the natural fats and oils of rapeseed, sunflower, soy, flax, hemp, castor, coconuts, oil palms,
Ölpalmkemen und Ölbäumen. Weitere geeignete Ausgangsstoffe sind die durch dieOil palm kernels and olive trees. Other suitable starting materials are those by the
Polymerisation oder Olygomerisierung von Fettsäuren durch radikalische Polymerisation oder thermische Behandlung zugänglichen Dimer- und Trimerfettsäuren sowie derenPolymerization or Olygomerization of fatty acids by radical polymerization or thermal treatment accessible dimer and trimer fatty acids and their
Folgeprodukte gegeben.Subsequent products given.
Zur Herstellung von oleochemischen Duroplasten sind die folgenden Verbindungsklassen ganz besonders geeignet:For the preparation of oleochemical thermosets, the following classes of compounds are particularly suitable:
• epoxidierte Fette und Öle• epoxidized fats and oils
• aminische Fettstoffe • (Meth)acrylat-funktionelle Fettstoffe, vorzugsweise hergestellt durch Veresterung von (Meth)acrylsäure mit hydroxidfunkionalisierten Fetten und Ölen, oder durch Ringöffnungs-Reaktion von epoxidierten Fettstoffen mit olefinisch ungesättigten Carbonsäuren wie (Meth)acrylsäure, Crotonsäure, Itakonsäure, Maleinsäure oder deren Mischung.Amine fatty substances (meth) acrylate-functional fatty substances, preferably prepared by esterification of (meth) acrylic acid with hydroxide functionalized fats and oils, or by ring-opening reaction of epoxidized fatty substances with olefinically unsaturated carboxylic acids such as (meth) acrylic acid, crotonic acid, itaconic acid, maleic acid or their mixture.
Die wichtigsten Vertreter der epoxidierten Fette und Öle sind das expoxidierte Leinoel und Sojaöl und das epoxidierte Rapsöl sowie das epoxidierte Sonnenblumenöl.The most important representatives of the epoxidized fats and oils are the expoxidized linseed and soybean oil and the epoxidized rapeseed oil as well as the epoxidized sunflower oil.
Typischerweise weisen die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bzw. die aus oder mit ihnen hergestellten Expander Elastomere, Polyamide oder Latex auf oder sind aus den genannten Materialen hergestellt, um deren Expansionsfähigkeit zu definieren. Seite 13Typically, the expandable component components or the expanders made from or with them include elastomers, polyamides, or latex, or are made from the foregoing materials to define their expandability. Page 13
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil, das nach dem vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.Another aspect of the present invention is a component made according to the proposed method of the invention.
Denkbar sind Bauteile für den Fahrzeugbau, d.h. den Automobilbau, Schienenfahrzeugbau, Flugzeugbau, die Herstellung von Karosserieteilen sowie Inneneinrichtungen. Fernerhin kann ein erfindungsgemäßes Bauteil in der Bauindustrie für Dämmstoffe und tragende Elemente, im Fensterbau zum Bau von Fensterrahmen, Türrahmen und Türen, in der Möbelindustrie zur Herstellung von Platten, mehrschaliger Wandsysteme, Möbelteilen und Möbeln, in der Elektro-/Energieindustrie zur Herstellung von Computern, Haushaltsgeräten, HiFi-, PA-Gehäusen, Flügeln und Rotorblättern von Gebläsen oder Windenergieanlagen verwendet werden. Die Herstellung von Maschinenteilen und Verkleidungen sind verfahrensgemäß realisierbar. Auch eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Bauteilen und Körpern deren Einsatzgebiete unter Wasser und im Weltall liegen.Conceivable are components for vehicle construction, i. the automotive industry, rail vehicle construction, aircraft construction, the manufacture of body parts and interior fittings. Furthermore, an inventive component in the construction industry for insulation materials and structural elements, in window construction for the construction of window frames, door frames and doors, in the furniture industry for the production of panels, multi-shell wall systems, furniture parts and furniture, in the electrical / energy industry for the production of computers , Home appliances, hi-fi, PA enclosures, blades and rotor blades of blowers or wind turbines. The production of machine parts and panels are procedurally feasible. Also, the inventive method for the production of components and bodies whose applications are under water and in space.
Im Bereich der Freizeitgestaltung und im Sport können aus erfindungsgemäßen Bauteilen Sportgeräte, Boote, Segelflugzeuge, Rennsport, Wannen und Bassins, Fahrradrahmen, Minigolfanlagen, Stege, Surfbretter aber auch Masten für z.B. Strom, Segelboote und WKA, Verplankungen hergestellt werden.In the field of recreational activities and sports components of the invention sports equipment, boats, gliders, racing, tubs and basins, bicycle frames, miniature golf courses, bars, surfboards but also masts for example. Electricity, sailboats and wind turbines, planking be made.
Im Maschinenbau können sie zur Herstellung von Zahnrädern oder Getriebeteilen und in der Abfallwirtschaft zur Herstellung von Abfallbehältern eingesetzt werden.In mechanical engineering, they can be used for the production of gears or gear parts and in waste management for the production of waste containers.
Im Anlagenbau können Behälter, Pumpen, Rohrelemente hergestellt werden.In plant construction tanks, pumps, pipe elements can be manufactured.
In der Verpackungsindustrie lassen sich die erfindungsgemäßen Bauteile zur Herstellung von Flaschen, Hohlkörpern, Formteilen und technischen Verpackungen verwenden.In the packaging industry, the components according to the invention can be used for the production of bottles, hollow bodies, molded parts and technical packaging.
Weiterhin ist ein solches Bauteil als Container oder Koffer oder im Gerüst- und Bühnenbau einsetzbar.Furthermore, such a component can be used as a container or case or in scaffolding and stage construction.
Auch lassen sich die erfindungsgemäßen Bauteile in der Landwirtschaft zur Herstellung von Behältern, Futtermittelsilos, Pflanzentöpfen und in der Sicherheitstechnik zur Herstellung von Schutzhelmen und -Protektoren einsetzen, In der Medizin zur Herstellung von Protesen. Tragen und Stützen, in der Freizeit- und Wellnessbranche, im Messebau. Seite 14Also, the components of the invention in agriculture for the production of containers, feed silos, plant pots and in safety technology for the production of protective helmets and -Protektoren use, in medicine for the production of Protesen. Carrying and supporting, in the leisure and wellness industry, in trade fair construction. Page 14
Ein weitere Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher auch die Verwendung eines Bauteils, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist, um damit mindestens eine Diffusionsschicht für einen Isobarentank zur Aufbewahrung eines gasförmigen Fluids, z.B. Wasserstoff, herzustellen.A further aspect of the present invention is therefore also the use of a component made of a composite material according to the method of the invention for providing therewith at least one diffusion layer for an isobaric tank for storing a gaseous fluid, e.g. Hydrogen, produce.
Ein solcher Isobarentank weist wenigstens eine erste und eine zweite Diffusionsschicht und einen Mantel auf, wobei die erste Diffusionsschicht im Inneren des Isobarentanks einen ersten Hohlraum zur Aufnahme des Fluids vollständig umschließt, die zweite Diffusionsschicht einen zweiten Hohlraum vollständig umschließt, in dem der erste Hohlraum komplett aufgenommen ist, und der Mantel die zweite Diffusionsschicht vollständig umschließt, um den Isobarentank gegenüber einem Außenraum abzudichten. Die erste und zweite Diffusionsschicht sind weiterhin jeweils ab einem Schwellenwert für den Druck, der an der jeweiligen Diffusionsschicht durch das in dem Isobarentank aufgenommene gasförmige Fluid anliegt, für das Fluid durchlässig ist.Such an isobaric tank has at least a first and a second diffusion layer and a jacket, wherein the first diffusion layer in the interior of the isobaric tank completely encloses a first cavity for receiving the fluid, the second diffusion layer completely encloses a second cavity in which the first cavity is completely accommodated and the shell completely encloses the second diffusion layer to seal the isobaric tank from an exterior space. Furthermore, the first and second diffusion layers are permeable to the fluid from a threshold value for the pressure applied to the respective diffusion layer by the gaseous fluid received in the isobaric tank.
Auf diese Weise kann ein mehrschichtiger Isobarentank aufgebaut werden, der mit dem zu speichernden Gas mit hohem Druck befüllt wird. Zwar ist es durchaus möglich, den äußersten Hohlraum des Isobarentanks, in dem mehrere weiteren Hohlräume unterbracht sind, mit dem Fluid unter dem höchsten Druck zu befüllen. Damit würde folglich das Fluid durch die einzelnen Diffusionsschichten von außen nach innen diffundieren. Es wird jedoch bevorzugt, einen innersten (ersten) Hohlraum mit dem Fluid bei einem höchsten Druck zu versehen und das Fluid durch die diesen innersten Hohlraum umgebende (erste) Diffusionsschicht teilweise in den nächsten Hohlraum entweichen zu lassen, wenn ein bestimmter Schwellwert erreicht ist. Derart steht eine Entlastung des innersten Hohlraums und es wird ein Gegendruck in dem nächsten, angrenzenden (zweiten) Hohlraum geschaffen.In this way, a multi-layer Isobarentank can be constructed, which is filled with the gas to be stored at high pressure. Although it is quite possible to fill the outermost cavity of the isobaric tank, in which several other cavities are located, with the fluid under the highest pressure. Thus, the fluid would diffuse through the individual diffusion layers from outside to inside. However, it is preferred to provide an innermost (first) cavity with the fluid at a highest pressure and to allow the fluid to partially escape into the next cavity through the (first) diffusion layer surrounding this innermost cavity when a certain threshold is reached. Thus, a relief of the innermost cavity and there is a back pressure in the next, adjacent (second) cavity created.
Selbstverständlich ist es möglich, eine Mehrzahl von gleichartigen oder unterschiedlichen, d.h. bei unterschiedlichen Drücken durchlässigen Diffusionsschichten vorzusehen.Of course, it is possible to have a plurality of similar or different, i. Provide permeable diffusion layers at different pressures.
Wird in einem an den Mantel des Isobarentanks angrenzenden, äußersten Hohlraum ein zulässiger Maximaldruck erreicht, erfolgt eine Kompression des darin befindlichen Fluids aus diesem äußersten Hohlraum zurück in den innersten Hohlraum. Eine Entnahme des in dem Isobarentank gespeicherten Gases bzw. gasförmigen Fluids erfolgt dann bevorzugt an dem äußersten Hohlraum des Isobarentanks. Seite 15If a permissible maximum pressure is reached in an outermost cavity adjoining the jacket of the isobaric tank, the fluid contained therein is compressed from this outermost cavity back into the innermost cavity. A removal of the gas or gaseous fluid stored in the isobaric tank is then preferably carried out at the outermost cavity of the isobaric tank. Page 15
Über den Einsatz eines Bauteils für die Diffusionsschichten des Isobarentanks, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, lässt sich die zulässige Diffusion zwischen den aneinander angrenzenden Hohlräumen über die jeweilige Diffusionsschicht gezielt einstellen. Über Bauteilkomponenten und die Matrix wird die Materialbeschaffenheit der Diffusionsschicht, die Durchlässigkeit einer Diffusionsschicht bereits während der Herstellung gezielt eingestellt.Through the use of a component for the diffusion layers of the isobaric tank, which is produced by the method according to the invention, the permissible diffusion between the adjoining cavities via the respective diffusion layer can be adjusted specifically. About component components and the matrix, the material properties of the diffusion layer, the permeability of a diffusion layer is already set during production.
Das Wirkprinzip des hier beschriebenen Isobarentanks ist jedoch nicht zwingend an die Verwendung eines Bauteils für eine der Diffusionsschichten gebunden, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.However, the active principle of the isobaric tank described here is not necessarily bound to the use of a component for one of the diffusion layers, which was produced by the method according to the invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.Further features and advantages of the invention will become apparent in the following description of exemplary embodiments with reference to the figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Flussdiagramm, das den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch darstellt;1 is a flowchart which schematically illustrates the sequence of a method according to the invention;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteils;2 shows an exemplary embodiment of a component produced by the method according to the invention;
Fig. 3 schematisch einen Faserschlauch, in den expansionsfähigeFig. 3 shows schematically a fiber tube in the expansible
Bauteilkomponenten und Füllstoffen eingefüllt wurden;Component components and fillers were filled;
Fig. 4A - 4D verschiedenen Ansichten einer in eine Kavität anzuordnenden Faserarchitektur, die aufgewickelt wird, in der sich unter anderem expansionsfähige Bauteilkomponenten und funktionale Baugruppen in ihrem Inneren befinden, in verschiedenen Verfahrensstadien;4A-4D show various views of a fiber architecture to be arranged in a cavity, which is wound up, in which inter alia, expandable component components and functional assemblies are located in their interior, in various stages of the method;
Fig. 5A schematisch mehrere, mit einzelnen Kammern verseheneFig. 5A schematically several, provided with individual chambers
Faserumhüllungen, in die expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Füllstoffe einzufüllen sind, innerhalb einer Kavität für das herzustellende Bauteil; Seite 16Fiber cladding, are to be filled in the expandable component components and fillers, within a cavity for the component to be produced; Page 16
Fig. 5B ausschnittsweise eine aus mehreren hexagonalen Fasermatten bestehende Faserfläche mit expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Füllstoffen;FIG. 5B a detail of a fiber surface consisting of a plurality of hexagonal fiber mats with expandable component components and fillers; FIG.
Fig. 6A - 6B geschnittene Ansichten zweier Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen Isobarentanks mit mehreren Diffusionsschichten.6A-6B are sectional views of two embodiments of an isobaric tank according to the invention with a plurality of diffusion layers.
Figur 1 zeigt schematisch einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff, in dem Fasern innerhalb eines Matrixmaterials, zum Beispiel einem Harz, eingebettet sind.FIG. 1 shows schematically a possible sequence of the method according to the invention for producing a component from a composite material, in which fibers are embedded within a matrix material, for example a resin.
Zunächst wird in einem ersten Schritt A eine Kavität bereitgestellt, in der die das herzustellende Bauteil bildenden Komponenten angeordnet bzw. eingebracht werden. Die durch die Kavität definierte Außenform bestimmt die spätere endgültige Form des herzustellenden Bauteils. Bei einer solchen Kavität kann es sich beispielsweise um eine mit einem festen Kern versehene Matrize oder eine einfache Hohlform ohne innenliegenden Kern handeln. Ebenso ist aber auch eine Kavität in Form eines flexiblen (Vakuum-) Sackes einsetzbar oder eine Kombination aus Außenform und Vakuumsack.First, in a first step A, a cavity is provided, in which the components forming the component to be produced are arranged or introduced. The outer shape defined by the cavity determines the later final shape of the component to be produced. Such a cavity may, for example, be a matrix provided with a solid core or a simple hollow shape without an inner core. Likewise, however, it is also possible to use a cavity in the form of a flexible (vacuum) bag or a combination of outer form and vacuum bag.
Innerhalb der bereitgestellten Kavität wird in den nachfolgenden Schritten eine Faserarchitektur innerhalb der Kavität aufgebaut. Diese zeichnet sich durch eine Anordnung von Fasern, Faserrovings, Fasergelegen, Faserschläuchen und/ oder Matten bzw. Fliesen sowie der Anordnung von expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Füllstoffen in der Kavität nach Konstruktionsvorgaben für das herzustellende Bauteil aus, wie dies in einem Schritt B der Figur 1 vorgesehen ist. Dabei können die genannten in der Kavität anzuordnenden Komponenten, insbesondere die expansionsfähigen Bauteilkomponenten in Form der bereits eingangs erläuterten Expander und Trägerkomponenten, sein. Die expansionsfähigen Bauteilkomponenten können bereits einzeln mit Fasern umgeben sein. Aber sie können auch in bereits in der Kavität eingebrachte Fasern eingesetzt werden, die lose bzw. ungeordnet oder gezielt innerhalb der Kavität ausgerichtet bzw. geordnet vorliegen.Within the provided cavity, a fiber architecture is built up within the cavity in the subsequent steps. This is characterized by an arrangement of fibers, fiber rovings, fiber fabrics, fiber hoses and / or mats or tiles and the arrangement of expandable component components and fillers in the cavity according to design specifications for the component to be manufactured, as provided in a step B of Figure 1 is. In this case, the said components to be arranged in the cavity, in particular the expansion-capable component components, can be in the form of the expander and carrier components already explained in the introduction. The expandable component components may already be individually surrounded by fibers. But they can also be used in already introduced in the cavity fibers that are loose or disordered or targeted within the cavity aligned or arranged.
Grundsätzlich kann das Fasermaterial auch lose und als Rovings, Garne, Schläuche, Gewirke, Gestricke, Prepegs vorliegen.In principle, the fiber material may also be loose and present as rovings, yarns, tubes, knitted fabrics, knits, prepegs.
In der Kavität angeordnet bilden die eingebrachten Komponenten somit faserverstärkte Strukturen aus, die im Rahmen einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Seite 17Arranged in the cavity, the introduced components thus form fiber-reinforced structures, which in the context of an embodiment variant of the invention Page 17
Verfahrens wiederum zusätzlich mit Fasern von mikro bis endlos verbunden werden können.In turn, process can be additionally connected with fibers from micro to endless.
Ziel ist es, die expansionsfähigen Bauteilkomponenten bzw. die Expander mit geordneten und/oder ungeordneten Fasern zu umgeben, so dass mit einer nachfolgenden Expansion der Bauteilkomponenten bzw. Expander die Fasern innerhalb der Kavität gezielt ausgerichtet werden können oder zumindest die bereits in der Kavität aufgebaute Form stabilisiert und fixiert wird.The aim is to surround the expandable component components or the expander with ordered and / or disordered fibers, so that the fibers within the cavity can be specifically aligned with a subsequent expansion of the component components or expander or at least the already built in the cavity shape stabilized and fixed.
Die Expander sind vorzugsweise als mit Gas und/ oder Trägerkomponenten gefüllte Hohlkörper aus einem Elastomer ausgeführt, so dass bei einer Evakuierung der Kavität durch den entstehenden Unterdruck eine Ausdehnung derartiger Hohlkörper erfolgen kann.The expander are preferably designed as filled with gas and / or carrier components hollow body made of an elastomer, so that in an evacuation of the cavity by the resulting negative pressure, an expansion of such hollow body can take place.
Um bereits bei der Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten und der Fasern innerhalb der Kavität gewünschte, spätere Tragstrukturen in einfacher Weise definieren zu können, kann zumindest ein Teil der Bauteilkomponenten bereits im Vorfeld mit Fasern umgeben sein. Belastbarere Tragstrukturen werden vornehmlich durch mit Fasern umgebende gezielt expandierte Bauteilkomponenten und ggf. mit zusätzlich eingefüllten und nicht expansionsfähigen Trägerkomponenten gebildet. Derartige Trägerkomponenten sind vorzugsweise derart beschaffen, dass sie eine kraftschlüssige Verbindung ihrer Oberfläche und Fasern gestatten.In order to be able to define desired, later support structures in a simple manner already in the arrangement of the expandable component components and the fibers within the cavity, at least some of the component components may already be surrounded in advance with fibers. More load-bearing support structures are primarily formed by surrounding with fibers selectively expanded component components and possibly additionally filled and non-expandable carrier components. Such carrier components are preferably such that they allow a frictional connection of their surface and fibers.
Beispielsweise werden expansionsfähige Bauteilkomponenten in einen aus verwobenen Einzelfasern gebildeten Faserschlauch eingesteckt, bevor eine Anordnung der Bauteilkomponenten innerhalb der Kavität erfolgt.By way of example, expandable component components are inserted into a fiber tube formed from interwoven individual fibers before an arrangement of the component components takes place within the cavity.
Ein solcher beispielhaft genannter Faserschlauch, kann somit innerhalb der Kavität entlang eines gewünschten Verlaufs ausgelegt werden. Ein solcher Verlauf eines Faserschlauches kann beispielsweise geradlinig innerhalb der Kavität sein, sodass eine Art Druckstab innerhalb des herzustellenden Bauteils realisiert wird. Hierbei wird dieser Druckstab durch die innerhalb des später eingebrachten Matrixmaterials eingebetteten Fasern des Faserschlauches und die darin aufgenommenen Komponenten (insbesondere Expander, Trägerkomponenten und nachfolgend noch erläuterte Füllstoffe) gebildet und bietet mit durch die mit ihm geschaffene Tragstruktur entlang seines Verlaufs eine größere (Zug-) Festigkeit innerhalb des fertig gestellten Bauteils. Seite 18Such an exemplified fiber tube can thus be designed within the cavity along a desired course. Such a profile of a fiber tube, for example, be rectilinear within the cavity, so that a kind of pressure rod is realized within the component to be produced. In this case, this pressure rod is formed by the fibers of the fiber tube embedded within the later-introduced matrix material and the components accommodated therein (in particular expanders, carrier components and fillers explained below) and, with the support structure provided with it, provides a larger (tensile) area along its course. Strength within the finished component. Page 18
Um innerhalb des herzustellenden Bauteils und damit innerhalb des ausgehärteten Matrixmaterials die Tragfähigkeit und die Belastbarkeit des Bauteils nicht ausschließlich über die eingebrachten Fasern und die expansionsfähigen Bauteilkomponenten zu realisieren und um eine größere Steifigkeit der damit zu schaffenden Tragstruktur bereitzustellen, werden in einem Verfahrensschritt B.2 zusätzlich Füllstoffe in die Kavität zugegeben.To realize within the component to be produced and thus within the cured matrix material, the carrying capacity and load capacity of the component not exclusively on the introduced fibers and the expandable component components and to provide greater rigidity of the support structure to be created, are in a step B.2 additionally Fillers added to the cavity.
Während die expansionsfähigen Bauteilkomponenten vorzugsweise gezielt innerhalb der Kavität positioniert bzw. platziert werden, ist es in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens durchaus möglich, zusätzliche, die Bauteilkomponenten wenigstens abschnittsweise umgebende Füllstoffe lose in die Kavität einzuschütten, um die Faserarchitektur herzustellen.While the expansion-capable component components are preferably positioned or placed within the cavity, in one embodiment of the method according to the invention it is entirely possible to introduce additional fillers, at least partially surrounding the component components, loosely into the cavity in order to produce the fiber architecture.
Ebenso können Füllstoffe in vorgefertigten Faserumhüllungen, wie zum Beispiel einem oben beschriebenen Faserschlauch (vergleiche auch Figur 3), zusammen mit den expansionsfähigen Bauteilkomponenten angeordnet werden. Die expansionsfähigenLikewise fillers can be arranged in prefabricated Faserumhüllungen, such as a fiber hose described above (see also Figure 3), together with the expandable component components. The expandable
Bauteilkomponenten bewirken stets eine Verdrängung der Fasern und der Füllstoffe gegeneinander und in Richtung der die Kavität definierenden Außenwände. In derartigenComponent components always cause a displacement of the fibers and the fillers against each other and in the direction of the outer walls defining the cavity. In such
Faserumhüllungen angeordnete Füllstoffe expansionsfähigen Bauteilkomponenten bilden nach dem Aushärten des eingebrachten Matrixmaterials vorgespannte Tragstrukturen in dem hergestellten Bauteil.Fibers arranged expansionsfähigen component components form after hardening of the introduced matrix material prestressed support structures in the manufactured component.
Wie unter dem optionalen Verfahrensschritt B.2 der Figur 1 weiterhin angemerkt ist, können die Füllstoffe Vernetzungsmittel beinhalten bzw. den Füllstoffen werden zusätzliche Vernetzungsmittel zugesetzt. Dabei werden unter derartigen Vernetzungsmitteln Stoffe verstanden, die auch als Additive bezeichnet werden können. Die den Füllstoffen zugesetzten Additive können so die Vernetzungseigenschaften der Harzmatrix gezielt (chemisch) beeinflussen.As further noted under optional process step B.2 of Figure 1, the fillers may include crosslinking agents, or additional crosslinking agents may be added to the fillers. In this context, such crosslinking agents are substances which can also be referred to as additives. The additives added to the fillers can thus specifically (chemically) influence the crosslinking properties of the resin matrix.
Darüber hinaus sind derartige Vernetzungsmittel auch für die Vernetzung von Fasern gedacht, die Mantelflächen von Faserumhüllungen oder Faserflächen bilden. Zwar können einzelne Fasern stets mechanisch miteinander, zum Beispiel durch Vernähen, Verdrillen oder Verweben, miteinander verbunden werden. Über den Einsatz der Vernetzungsmittel ist aber gerade auch eine dreidimensionale Kopplung der in dem Bauteil befindlichen Fasern auf chemischer Ebene in einfacher Weise möglich. Seite 19In addition, such crosslinking agents are also intended for the crosslinking of fibers which form lateral surfaces of fiber cladding or fiber surfaces. Although individual fibers can always be connected to each other mechanically, for example by sewing, twisting or weaving together. However, it is also possible to use the cross-linking agents in a simple manner to achieve a three-dimensional coupling of the fibers in the component at the chemical level. Page 19
Zur weiteren gezielten Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils können in dem Verfahrensschritt B.2 bei der Herstellung der Faserarchitektur grundsätzlich Additive in die Kavität eingebracht werden. Derartige Additive können in einer Verfahrensvariante beispielsweise in einem Lösungsmittel befindliche Materialien, die die Kristallisation der Harzmatrix beeinflussen, vorzugsweise auf bereits mit Fasern umgebene Bauteilkomponenten aufgesprüht bzw. aufgetragen werden.For further targeted influencing of the material properties of the component to be produced, additives can in principle be introduced into the cavity in process step B.2 during the production of the fiber architecture. In a variant of the method, additives of this type, for example materials which are in a solvent and influence the crystallization of the resin matrix, can preferably be sprayed or applied onto component components already surrounded by fibers.
Als Additive dienen z.B. flüchtige Lösungsmittel z.B. Toluol Toluol, Trivialname nach IUPAC auch Toluen, Methylbenzol, Phenylmethan, nach lUPAC-Nomenklatur Methylbenzen genannt, ist eine farblose, charakteristisch riechende, flüchtige Flüssigkeit, die in vielen ihrer Eigenschaften dem Benzol ähnelt. Toluol ist ein aromatischer Kohlenwasserstoff, häufig ersetzt es als Lösungsmittel das giftige Benzol.As additives serve e.g. volatile solvents e.g. Toluene Toluene, common name after IUPAC also toluene, methylbenzene, phenylmethane, called by the IUPAC nomenclature methylbenzene, is a colorless, characteristic smelling, volatile liquid that resembles benzene in many of its properties. Toluene is an aromatic hydrocarbon, often replacing the toxic benzene as a solvent.
Bevor nun die Kavität mit der darin befindlichen, erstellten Faserarchitektur luftdicht abgeschlossen und evakuiert wird, wie dies im Verfahrensschritt C der Figur 1 nachfolgend vorgesehen ist, kann entsprechend dem Verfahrensschritt B.3 zuvor noch eine Luftverwirbelung vorgesehen sein. Durch eine derartige Luftverwirbelung werden innerhalb der Kavität vorliegende lose Fasern mechanisch miteinander verknüpft.Before the cavity with the created fiber architecture located therein is hermetically sealed and evacuated, as is subsequently provided in method step C of FIG. 1, an air turbulence may be previously provided according to method step B.3. By such Luftverwirbelung present loose fibers are mechanically linked together within the cavity.
Bei der anschließenden Evakuierung der Kavität ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Expander sich ausdehnen und damit die gewünschte innere Tragstruktur bestehend aus expansionsfähigen Bauteilkomponenten sowie Fasern, Füllstoffen und Additiven innerhalb der Kavität festlegen. Gerade durch die Form gebenden Expander wird die Faserarchitektur stabilisiert und es wird für den nötigen Forminnendruck gesorgt.In the subsequent evacuation of the cavity, it is provided according to the invention that the expander expand and thus define the desired inner support structure consisting of expansion-capable component components as well as fibers, fillers and additives within the cavity. The shape of the expander stabilizes the fiber architecture and provides the necessary in-mold pressure.
Anschließend wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt D das Matrixmaterial, beispielsweise ein Harz, insbesondere ein Duromer, ein Elastomer oder ein Thermoplast, durch Infusion oder Injektion in die Kavität eingebracht. Dabei kann zur Erhöhung der Viskosität das Matrixmaterial erwärmt sein. In diesem Zusammenhang mögliche und bekannte Verfahren sind beispielsweise „Vacuum Assisted Resin Injection" (VARI) [Vakuum unterstützte Harzinjektion] oder „Resin Transfer Molding" (RTM) [Harztransferformung] sowie deren Weiterentwicklungen.Subsequently, in a subsequent method step D, the matrix material, for example a resin, in particular a duromer, an elastomer or a thermoplastic, is introduced into the cavity by infusion or injection. In this case, the matrix material can be heated to increase the viscosity. Possible and known methods in this context are, for example, "Vacuum Assisted Resin Injection" (VARI) [vacuum assisted resin injection] or "Resin Transfer Molding" (RTM) [resin transfer molding] and their further developments.
Nach dem Aushärten des damit geschaffenen Bauteils, in dem die Fasern, Füllstoffe etc. und expansionsfähigen Bauteilkomponenten innerhalb der Matrix eingebettet sind, wird das hergestellte Bauteil in einem abschließenden Verfahrensschritt E aus der Kavität entnommen. Über die eingesetzten Additive und die Form gebende Wirkung der Seite 20After curing of the thus created component in which the fibers, fillers, etc. and expandable component components are embedded within the matrix, the component produced is removed from the cavity in a final step E. About the additives used and the shaping effect of Page 20
Expander ist dabei innerhalb des aus dem Verbundwerkstoff hergestellten Bauteils eine stabilisierende und insbesondere dreidimensional vernetzte Tragstruktur entstanden, die an die auftretenden Belastungen bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz des hergestellten Bauteils angepasst ist.Expander is thereby created within the component made of the composite material a stabilizing and in particular three-dimensionally networked support structure, which is adapted to the loads occurring at a proper use of the manufactured component.
Zusätzlich zu den genannten Komponenten können bei der Herstellung der Faserarchitektur vor dem Verschließen der Kavität (Schritt C des Ausführungsbeispiels der Figur 1) auch weitere funktionale Bauteile eingebracht werden. Derartige funktionale Bauteile können beispielsweise etwaige Leitungsrohre oder aber auch elektronische Komponenten wie Sensoren sein.In addition to the components mentioned, other functional components can also be incorporated in the production of the fiber architecture prior to closing the cavity (step C of the embodiment of FIG. 1). Such functional components may be, for example, any pipes or even electronic components such as sensors.
Die Figur 2 zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil 1 in Form eines Mastes, der in der Figur 2 im Querschnitt dargestellt ist. Das Bauteil 1 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist eine kreisförmige Grundfläche auf.FIG. 2 shows a component 1 produced by the process according to the invention in the form of a mast, which is shown in cross-section in FIG. The component 1 is substantially cylindrical and has a circular base.
Innerhalb des schematisch gezeigten Querschnitts sind mit Fasern umgebene Expander, (Bauteilkomponenten) 20 und 21 sowie teilchenförmige Füllstoffe 3 ersichtlich, die in einem mit Additiven versehenen, ausgehärteten Matrixmaterial eingebettet sind.Within the cross-section schematically shown are fiber-surrounded expanders (component components) 20 and 21 as well as particulate fillers 3 embedded in an additive-provided cured matrix material.
Ein einzelnder Expander (oder auch eine einzelne Bauteilkomponente 20) ist zentral innerhalb einer nicht dargestellten Kavität angeordnet, so dass dieser ein verstärktes Zentrum des herzustellenden Bauteils 1 bildet.A single expander (or even a single component component 20) is centrally located within a cavity, not shown, so that it forms an amplified center of the component 1 to be produced.
Um diesen zentralen Expander 20 wurden dezentrale, kleinere expansionsfähige Bauteilkomponenten 21 entlang einer Kreisbahn angeordnet, um mit den zusätzlich eingebrachten Trägerkomponenten und Füllstoffen 3 einen stabilisierenden Kern innerhalb des Bauteils 1 zusammen mit dem zentralen Expander 20 zu bilden. Dabei können die einzelnen Expander und Bauteilkomponenten 20, 21 jeweils entlang einerDecentralized, smaller expandable component components 21 were arranged along a circular path around this central expander 20 in order to form a stabilizing core within the component 1 together with the central expander 20 with the additionally introduced carrier components and fillers 3. In this case, the individual expander and component components 20, 21 each along a
Längserstreckungsrichtung des Bauteils 1 verlaufen und jeweils eine Länge aufweisen, die nahezu einer Gesamtlänge des Bauteils 1 entspricht. Bevorzugt wird jedoch, wenn jeweils eine Mehrzahl von zentralen Expandern 20 und eine Mehrzahl vonLongitudinal direction of the component 1 extend and each have a length which corresponds to almost a total length of the component 1. However, it is preferred if in each case a plurality of central expanders 20 and a plurality of
Bauteilkomponenten 21 entlang der Längserstreckungsrichtung des Bauteils 1 hintereinander angeordnet werden, wobei ein zentraler Expander 20 jeweils von mehreren expansionsfähigen Bauteilkomponenten 21 und/oder Füllstoffen umgeben ist.Component components 21 along the longitudinal direction of the component 1 are arranged one behind the other, wherein a central expander 20 is each surrounded by a plurality of expandable component components 21 and / or fillers.
Die damit entlang der Längserstreckungsrichtung des Bauteils 1 verlaufenden starren Strukturen mit den Expandern 20 und anderen expansionsfähigen Bauteilkomponenten Seite 21The thus along the longitudinal direction of the component 1 extending rigid structures with the expanders 20 and other expandable component components Page 21
21 sind hierbei für die an dem Bauteil 1 gerade in seinem Inneren erhöht auftretenden Belastungen ausgelegt. Mit anderen Worten, die Expander 20 und expansionsfähigen Bauteilkomponenten 21 und die sie umgebenden Trägerkomponenten und Füllstoffe 3 sind innerhalb des Bauteils 1 gerade in Funktionsbereichen 6.0 und 6.1 nach einem vordefinierten Muster angeordnet worden, um das herzustellende Bauteil 1 gezielt an diesen Funktionsbereichen mit einem angepassten physikalischem Verhalten zu versehen.21 are in this case designed for the increased in the interior of the component 1 occurring loads. In other words, the expander 20 and expansion-capable component components 21 and the surrounding carrier components and fillers 3 have been arranged within the component 1 just in functional areas 6.0 and 6.1 according to a predefined pattern to the produced component 1 targeted to these functional areas with an adapted physical To provide behavior.
Die damit gebildeten funktionalen Gruppen werden durch sie stützende Zellstrukturen umgeben, die wiederum aus Expandern, Trägerkomponenten, Fasern und Füllstoffen aufgebaut werden. Um eine zentrale funktionale Gruppe mit dem Expander 20 werden Zellstrukturen so aufgebaut, dass aus jeder Raumdimension wirkenden Kräften eine Vielzahl von neutralen Linien entgegen wirken.The functional groups formed thereby are surrounded by supporting cell structures, which in turn are built up from expanders, carrier components, fibers and fillers. Around a central functional group with the expander 20, cell structures are constructed in such a way that forces acting on each spatial dimension counteract a large number of neutral lines.
In der Figur 3 wird eine vorgefertigte Faserumhüllung in Form eines Faserschlauches 5 gezeigt, in den expansionsfähigen Bauteilkomponenten 2 und sie umgebende Füllstoffe 3 eingebracht worden sind.FIG. 3 shows a prefabricated fiber sheath in the form of a fiber tube 5 into which expandable component components 2 and surrounding fillers 3 have been introduced.
Ein derartiger Faserschlauch 5 wird als bereits vollständig ausgebildete Faserumhüllung in einer Kavität angeordnet und gestattet somit eine vergleichsweise leicht zu Hand habende Vorgabe einer gewünschten Faserstruktur beziehungsweise - zusammen mit den innerhalb des Faserschlauchs 5 aufgenommenen expansionsfähigen Bauteilkomponenten 2 und den Füllstoffen 3 - die direkte Vorgabe einer definierten Tragstruktur innerhalb des herzustellenden Bauteils.Such a fiber tube 5 is arranged as already fully formed Faserumhüllung in a cavity and thus allows a comparatively easy-to-hand specification of a desired fiber structure or - together with the accommodated within the fiber tube 5 expandable component components 2 and the fillers 3 - the direct specification of a defined Support structure within the component to be produced.
Der Faserschlauch 5 der Figur 3 besteht hier aus miteinander verwobenen Fasern F, die dann bei einer Expansion der gegebenenfalls mit Gas gefüllten kugelförmigen Expander bzw. Bauteilkomponenten 2 nach außen gedrückt werden, wie dies anhand der Pfeile für einen Expander 2 angedeutet ist.The fiber tube 5 of Figure 3 here consists of interwoven fibers F, which are then pressed upon expansion of the possibly filled with gas spherical expander or component components 2 to the outside, as indicated by the arrows for an expander 2.
Die Ausrichtung der Fasern F auf bzw. innerhalb einer Mantelfläche des Faserschlauchs 5 kann grundsätzlich auf verschiedene Weise erfolgen. In der Figur 3 sind zwei verschiedene Varianten veranschaulicht. In einer Variante (in der Figur 3 am rechten Ende des gezeigten Faserschlauches 5 dargestellt) verlaufen die einzelnen Faser F des Faserschlauches 5 alle parallel zu einander und quer zur Erstreckungsrichtung des Faserschlauches 5. Die einzelnen Fasern F bilden damit eine Faserstruktur 50* in Form eines unidirektionalen Geleges. Bei einer nachfolgenden Expansion der Seite 22The orientation of the fibers F on or within a lateral surface of the fiber tube 5 can in principle be carried out in various ways. FIG. 3 illustrates two different variants. In a variant (shown in FIG. 3 at the right end of the fiber tube 5 shown), the individual fibers F of the fiber tube 5 all run parallel to each other and transversely to the direction of extension of the fiber tube 5. The individual fibers F thus form a fiber structure 50 * in the form of a Unidirectional Geleges. In a subsequent expansion of Page 22
Bauteilkomponente bzw. des Expanders 2 und der damit verbundenen Oberflächenvergrößerung der Bauteilkomponente bzw. des Expanders 2 werden die einzelnen Fasern F beziehungsweise die Faserstruktur 50* maßgeblich auf Zug in Faserrichtung belastet und damit vorgespannt.Component component or of the expander 2 and the associated increase in surface area of the component component or of the expander 2, the individual fibers F and the fiber structure 50 * are significantly charged to train in the fiber direction and thus biased.
Eine senkrecht zur Faserrichtung im Druckstab wirkende Kraft führt zu einer Aufwölbung und damit zu einer Vergrößerung des Durchmessers der kugelähnlichen bzw. zylindrischen Form. Dieser Verformung wirken die auf Zug belasteten Fasern bis zum Zusammenbruch entgegen. Die optimalen Leistungsparameter der Fasern werden räumlich ausgenutzt. Damit ist es möglich, eine Drucklast für die auf Zug optimierten Fasern zu übersetzen.A force acting perpendicular to the fiber direction in the pressure rod force leads to a bulge and thus to an increase in the diameter of the ball-like or cylindrical shape. This deformation counteract the loaded on train fibers until collapse. The optimum performance parameters of the fibers are exploited spatially. This makes it possible to translate a compressive load for the tensile optimized fibers.
Eine weitere Verbesserung kann durch Multiaxialgelege erzeugt werden, wie sie ebenso in der Figur 3 (an einem linken Ende des dargestellten Faserschlauches 5) verdeutlicht sind. Hierbei verlaufen mehrere Faserlagen als Faserstrukturen 50, 51 und 52 mit jeweils zueinander parallelen Einzelfasem F in unterschiedlichen Winkeln zueinander. Mit anderen Worten der Faserschlauch 5 wird hierbei durch mehrere Faserbündel aus Einzelfasern F definiert, wobei die einzelnen, die Faserstrukturen 50 - 52 definierenden Faserbündel jeweils zueinander geneigt sind beziehungsweise entlang verschiedener Richtungen verlaufen.A further improvement can be produced by Multiaxialgelege, as they are also illustrated in Figure 3 (at a left end of the illustrated fiber tube 5). In this case, a plurality of fiber layers extend as fiber structures 50, 51 and 52, each with parallel individual fibers F at different angles to one another. In other words, the fiber tube 5 is defined here by a plurality of fiber bundles of individual fibers F, wherein the individual fiber bundles defining the fiber structures 50 - 52 are each inclined relative to one another or run along different directions.
Unabhängig von der Ausbildung der Faserstrukturen 50 - 52, 50* innerhalb des Faserschlauches 5 kann mit einer derartigen Faserumhüllung, in die bereits expansionsfähige Bauteilkomponenten 2 und/oder Füllstoffen 3 angeordnet sind, eine definierte funktionale Komponente bereits in der Faserarchitektur des herzustellenden Bauteils geschaffen werden. Diese funktionale Baugruppe bildet dann nach der gezielten und regulierbaren Expansion der Bauteilkomponenten 2 eine gewünschte Tragstruktur in einem Funktionsbereich des fertig gestellten Bauteils, der an die beim bestimmungsgemäßen Einsatz auftretenden Belastungen angepasst ist.Independently of the formation of the fiber structures 50 - 52, 50 * within the fiber tube 5, a defined functional component can already be created in the fiber architecture of the component to be produced with such a fiber sheath in which already expandable component components 2 and / or fillers 3 are arranged. This functional assembly then forms the desired and adjustable expansion of the component components 2 a desired support structure in a functional area of the finished component, which is adapted to the loads occurring during normal use.
Mit den Figuren 4A bis 4D wird in unterschiedlichen Ansichten und in verschiedenen Stadien eine weitere Ausführungsvariante für die Anordnung expansionsfähiger Bauteilkomponenten und Füllstoffe mit Fasern F vor der Anordnung innerhalb einer Kavität gezeigt.FIGS. 4A to 4D show, in different views and at different stages, a further embodiment variant for the arrangement of expansion-capable component components and fillers with fibers F prior to the arrangement within a cavity.
Hierbei wird nahezu die gesamte innere Struktur des herzustellenden Bauteils in einer Fasermatte abgewickelt, die dann mit expansionsfähigen Bauteilkomponenten und Seite 23 gegebenenfalls Füllstoffen sowie Additiven belegt und anschließend wieder aufgewickelt innerhalb der Kavität angeordnet und mit Matrixmaterial umgeben wird.In this case, almost the entire inner structure of the component to be produced is unwound in a fiber mat, which then with expandable component components and If necessary, fillers and additives are coated and subsequently wound up again inside the cavity and surrounded with matrix material.
In der Figur 4B ist zunächst eine als Fasergrundfläche 6 ausgebildete Fasermatte in einem Zustand gezeigt, in dem die Fasergrundfläche 6 durch Aufklappen entlang einerIn FIG. 4B, a fiber mat designed as a fiber base surface 6 is first of all shown in a state in which the fiber base surface 6 is opened by folding it upwards
Faltlinie L ausgehende von einem in der Figur 4A gezeigten Auslieferungszustand einmalig aufgeklappt wurde. Eine damit in der Figur 4B ersichtliche Mantelfläche 60 bildet im späteren zusammen gewickelten Zustand der Fasergrundfläche 6 (vergleiche FigurFolding line L outgoing was once opened by a delivery state shown in Figure 4A delivery. A lateral surface 60 thus visible in FIG. 4B forms in the later coiled state of the fiber base surface 6 (see FIG
4D) eine Außenfläche der aufgewickelten Fasergrundfläche 6, in deren Innerem die darauf angeordneten Komponenten (Fasermaterial, expansionsfähigen4D) an outer surface of the wound-up fiber base surface 6, in the interior of which the components arranged thereon (fibrous material, expandable
Bauteilkomponenten 200, Füllstoffe 3 und gegebenenfalls Additive) aufgenommen sind.Component components 200, fillers 3 and optionally additives) are included.
In der Figur 4C ist die Fasergrundfläche 6 in einem weiter abgewickelten Zustand gezeigt, der sich durch Auffaltung der Fasergrundfläche 6 ausgehend von dem Zustand der Figur 4B ergibt. Die damit abgewickelte Länge und Breite der eben ausgebreiteten Fasergrundfläche 6 übersteigt damit um ein Vielfaches die Abmessungen der abgewickelten Oberfläche des herzustellenden Bauteils.FIG. 4C shows the fiber base surface 6 in a further unwound state resulting from the unfolding of the fiber base surface 6 starting from the state of FIG. 4B. The thus processed length and width of the newly spread fiber base 6 thus exceeds many times the dimensions of the unwound surface of the component to be produced.
In der Figur 4C sind damit auch die in der Figur 4B noch aufgewickelten Abschnitte der Fasergrundfläche 6 ersichtlich, die als Funktionsbereiche 61 bezeichnet sind. DieseIn FIG. 4C, the sections of the fiber base 6 still wound up in FIG. 4B are thus also visible, which are designated as functional regions 61. These
Funktionsbereiche 61 der Fasergrundfläche 6 sind durch Absätze, Aussparungen und/oder Einschnitte in die aus Fasern F bestehende Fasergrundfläche 6 gebildet. Die spezifische Ausgestaltung der Funktionsbereiche 61 der Fasergrundfläche 6 erfolgt dabei anhand von Konstruktionsvorgaben, insbesondere anhand von zu erwartenden oder berechneten Kräften, die auf das herzustellende Bauteil bei seinem bestimmungsgemäßen Einsatz wirken.Functional regions 61 of the fiber base surface 6 are formed by shoulders, recesses and / or cuts in the fiber base surface 6 consisting of fibers F. The specific configuration of the functional regions 61 of the fiber base 6 takes place on the basis of design specifications, in particular on the basis of expected or calculated forces acting on the component to be manufactured during its intended use.
Die Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 sowie etwaiger Füllstoffe und Additiven auf den ausgeklappten beziehungsweise abgewickelten Funktionsbereichen 61 erfolgt des Weiteren auf Basis der auftretenden Kraftflüsse innerhalb des fertig gestellten Bauteils entlang vorgegebener Muster 201 und 202.The arrangement of the expandable component components 200 and any fillers and additives on the unfolded or unwound functional areas 61 is further carried out on the basis of the force flows occurring within the finished component along predetermined patterns 201 and 202.
Anschließend wird die Fasergrundfläche 6 erneut aufgewickelt beziehungsweise eingerollt. Dabei werden nun die in den Funktionsbereichen 61 angeordneten Fasermaterialien und expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 sowie eventuelle Füllstoffe und Additive mit eingewickelt beziehungsweise eingerollt, so dass sich ein durch die Fasergrundfläche 6 gebildeter Wickel ausbildet, in dessen Innerem die Seite 24 genannten Komponenten vorliegen und jeweils durch die einzelnen Wickellagen der Fasergrundfläche 6 voneinander getrennt sind.Subsequently, the fiber base 6 is rewound or rolled up. In this case, the fiber materials arranged in the functional areas 61 and expandable component components 200 as well as any fillers and additives are then wrapped or rolled in, so that a coil formed by the fiber base surface 6 is formed, in the interior of which Page 24 components are present and each separated by the individual winding layers of the fiber base 6 from each other.
Die aufgewickelte Fasergrundfläche 6 ist in der Figur 4D in einem Querschnitt dargestellt. Diese aufgewickelte Fasergrundfläche 6 wird nun in die Kavität eingebracht und gegebenenfalls mit weiteren Fasern, expansionsfähigen Bauteilkomponenten und/oder Füllstoffen umgeben. Mit der Evakuierung der Kavität dehnen sich die expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 aus und definieren derart die endgültige Form der inneren Struktur des herzustellenden Bauteils vor der Einbringung des Matrixmaterials.The coiled fiber base 6 is shown in Figure 4D in a cross section. This wound-up fiber base surface 6 is then introduced into the cavity and optionally surrounded with further fibers, expandable component components and / or fillers. With the evacuation of the cavity, the expandable component components 200 expand and so define the final shape of the internal structure of the component to be manufactured prior to the introduction of the matrix material.
In einer Weiterbildung des durch die Figuren 4A - 4D dargestellten Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass der fertig gestellte Wickel der Fasergrundfläche 6 (vergleiche Figur 4D) durch die Expansion Bauteilkomponente200 im Wesentlichen entlang der Faltlinie L gezielt aufgerichtet wird. Hierfür könnte beispielsweise die Mantelfläche 60 der aufgewickelten Fasergrundfläche 6 mit den darin befindlichen Komponenten an eine Außenwandung der Kavität angrenzen und somit die Mantelfläche 60 bei der Expansion der expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 gegen diese Außenwandung beziehungsweise gegen die Kavität selbst pressen. Damit werden durch die weitere Expansion der expansionsfähigen Bauteilkomponente 200 die innen liegenden Schichten der Fasergrundfläche 6 nach oben beziehungsweise unten, das heißt im Wesentlichen senkrecht zu der Mantelfläche 60, gepresst. Damit richtet sich die innere Struktur der aufgewickelten Fasergrundfläche 6 auf beziehungsweise wird nach außen gepresst.In a further development of the method illustrated by FIGS. 4A-4D, provision may additionally be made for the finished roll of the fiber base 6 (see FIG. 4D) to be raised in a targeted manner by the expansion of the component component 200 substantially along the fold line L. For this purpose, for example, the lateral surface 60 of the wound-up fiber base surface 6 with the components located therein adjoin an outer wall of the cavity and thus compress the lateral surface 60 during expansion of the expandable component components 200 against this outer wall or against the cavity itself. As a result, as a result of the further expansion of the expandable component component 200, the inner layers of the fiber base surface 6 are pressed upwards or downwards, that is to say essentially perpendicular to the outer surface 60. Thus, the inner structure of the wound fiber base 6 is directed to or is pressed outwards.
Mit der Ausdehnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten 200 und der im Wesentlichen im Schnitt spiralförmig aufgewickelten Fasergrundfläche 6 lässt sich somit eine tragfähige Struktur innerhalb des herzustellenden Bauteils schaffen, die trotz ihrer Komplexität relativ einfach herzustellen ist.With the expansion of the expandable component components 200 and the fiber base surface 6, which is spirally wound on average in section, it is thus possible to create a load-bearing structure within the component to be produced which, despite its complexity, is relatively easy to manufacture.
Auch hier können stets konstruktiv benötigte oder funktional gewünschte Hohlräume innerhalb des herzustellenden Bauteils durch entsprechend platzierte und in der Größe angepasste Expander 200 angelegt werden.Again, always structurally required or functionally desired cavities can be created within the manufactured component by appropriately placed and resized expander 200.
Mit den Figuren 5A und 5B wird weiterhin eine Ausführungsvariante für das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht, bei denen vorgefertigte FaserstrukturenFIGS. 5A and 5B further illustrate an embodiment variant for the method according to the invention, in which prefabricated fiber structures
Verwendung finden. Diese Verfahrensvariante dient zur Herstellung schalenartiger Seite 25Find use. This process variant is used to produce shell-like Page 25
Bauteile die konventionell in Sandwichbauweise ausgeführt werden, unter Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens.Conventionally sandwiched components using the method described herein.
In einem Ausführungsbeispiel (in den Figuren 5A und 5B nicht dargestellt) kann ein zentriertes Sechseck, bei dem alle Kantenlängen und Strahlen zum Mittelpunkt gleich lang sind, eine Fläche aufspannen, die sich nicht in die dritte Raumdimension verformen lassen will. Diese Verformung würde ein komplexes Zug- Druckverhalten auslösen, denen sich die sechseckige Faserstruktur widersetzt. Diese Fläche ist eine homöostatische Fläche. Die Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt eine hybride Faserarchitektur nach diesen geometrischen Grundregeln zurIn one embodiment (not shown in FIGS. 5A and 5B), a centered hexagon in which all edge lengths and rays are of equal length to the center span a surface that does not want to be deformed into the third spatial dimension. This deformation would trigger a complex tensile-pressure behavior, which the hexagonal fiber structure defies. This area is a homeostatic area. The variant embodiment of the method according to the invention provides a hybrid fiber architecture according to these basic geometric rules
Verfügung.Available.
Die Hexagonalmatte besteht aus mindestens zwei Fasermatten als Außenschicht. Flächig wird ein anwendungsgerechter Mix aus expansionsfähigen Bauteilkomponenten, Füllstoffen und Additiven aufgebracht. Die Vemähung erfolgt mit einzelnen Fasern, Rovings und Garnen und bildet die geometrische Grundstruktur aus. Durch die Vernähung, werden die Kammern mit ihrem Inhalt fixiert. Mit Hilfe der Nähguthalterung, einer CNC-Nähmaschine, der Schrägnähanlage und der robotergestützten Ein- und Zweiseitennähtechnik werden hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Produkte erreicht. Auf die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes wirken sich die Nähmaschinenparameter, wie Nadelgeometrie, Nadelstärke, Nähfadenspannung und Nähgeschwindigkeit, aus sowie die Beschaffenheit eines optional an den Außenseiten mitgeführten Fasermaterials.The hexagonal mat consists of at least two fiber mats as the outer layer. An application-oriented mix of expandable component components, fillers and additives is applied over a wide area. The cutting takes place with individual fibers, rovings and yarns and forms the basic geometric structure. By sewing, the chambers are fixed with their contents. With the help of the fabric holder, a CNC sewing machine, the diagonal sewing system and the robot-assisted single- and double-sided sewing technology, high accuracy and reproducibility of the products are achieved. The sewing machine parameters, such as needle geometry, needle thickness, sewing thread tension and sewing speed, affect the mechanical properties of the end product, as well as the nature of an optional fiber material entrained on the outer sides.
Nach Aushärten der Matrix entsteht ein zweidimensionales Flächentragwerk. Die Hexagonalmatten können für den Bau gewölbter Flächen benutzt werden. Dafür wird der Winkel der Vernähung modifiziert oder die Spannung des mitgeführten Fasermaterials verändert, um die Form der Dreiecke im Sinne der Triangulation von Oberflächen dynamische an die gekrümmten Flächen anzupassen.After curing of the matrix creates a two-dimensional surface structure. The hexagonal mats can be used for the construction of arched surfaces. For this purpose, the angle of suturing is modified or the tension of the entrained fiber material is changed in order to adapt the shape of the triangles dynamically to the curved surfaces in the sense of triangulation of surfaces.
Sollten sich die Spitzen der Dreiecke nicht in einem gemeinsamen Mittelpunkt treffen, wird - wie in 5B veranschaulicht - eine Struktur nach dem Wirkprinzip eines geodätischen Doms errichtet. Vorzugsweise wird des Weiteren ein schindelartiger Aufbau (nicht dargestellt) gewählt, das heißt die Nähte müssen nicht senkrecht ausgeführt sein.If the tips of the triangles do not meet in a common center, as illustrated in FIG. 5B, a structure is built according to the principle of action of a geodesic dome. Preferably, furthermore, a shingle-like structure (not shown) is selected, that is to say the seams do not have to be designed vertically.
In der Figur 5A ist schematisch eine Kavität V gezeigt, in der mehrere (vorliegend zwei gezeigt) Faserumhüllungen 5* angeordnet sind. Diese Faserumhüllungen 5* sind Seite 26 zylinderförmig ausgebildet und weisen jeweils eine hexagonale Grundfläche auf. Diese hexagonale Grundfläche wird durch sechs im Wesentlichen identische Dreiecke in sechs Abschnitte unterteilt, die jeweils eine dreieckige Grundfläche für die sechs innerhalb der Faserumhüllungen 5* liegenden sechs Kammern 5a - 5f bilden. Die einzelnen Kammern 5a - 5f der Faserumhüllung 5* werden jeweils durch drei Kammerwandungen W1 , W2 und W3 begrenzt, so dass die einzelnen Kammern 5a - 5f jeweils an den beiden Stirnseiten der zylinderförmigen Faserumhüllung 5* offen sind.Shown schematically in FIG. 5A is a cavity V, in which a plurality of (in the present case two shown) fiber sheathings 5 * are arranged. These fiber sheaths 5 * are Page 26 cylindrical and each have a hexagonal base. This hexagonal base is divided into six sections by six substantially identical triangles, each forming a triangular base for the six six chambers 5a-5f located within the fiber sheaths 5 * . The individual chambers 5a-5f of the fiber cladding 5 * are bounded in each case by three chamber walls W1, W2 and W3, so that the individual chambers 5a-5f are open at the two end faces of the cylindrical fiber cladding 5 * .
Eine Kammer 5a - 5f wird bevorzugt aus einer einzelnen Fasermatten hergestellt, die die einzelnen Kammerwandungen W1 - W3 durch entsprechendes Umfalten und Vernähen entlang von Nähten N bildet. Über die Nähte N werden die Kammer 5a - 5f vorzugsweise auch untereinander verbunden, um die einzelne Faserumhüllungen 5* zu formen.A chamber 5a-5f is preferably made of a single fiber mat which forms the individual chamber walls W1-W3 by corresponding folding and stitching along seams N. The seams N preferably also connect the chambers 5a-5f with one another in order to form the individual fiber sheathings 5 * .
In die jeweils hohlen Kammern 5a - 5f werden vor oder nach deren Anordnung innerhalb der Kavität V die expansionsfähigen Bauteilkomponenten sowie etwaige Füllstoffe und gegebenenfalls zusätzliche Fasern (hier nicht dargestellt) angeordnet. Durch das Überragen loser Faserbündel beziehungsweise loser Fasern FL, mit denen die einzelnen Kammern 5a - 5f untereinander vernäht sind, wird gleichfalls eine Verbindung zu einer weiteren anliegenden Faserumhüllung 5* möglich. Auf diese Weise werden aneinander angrenzende Faserumhüllungen 5* durch Verdrillen, Vernähen oder Verweben kraftschlüssig miteinander verbunden und erzeugen derart eine komplexe, dreidimensionale tragfähige Struktur innerhalb des herzustellenden Bauteils aus Fasern F, FL, Füllstoffen und expansionsfähigen Bauteilkomponenten.In the respective hollow chambers 5a - 5f, before or after their arrangement within the cavity V, the expandable component components as well as any fillers and optionally additional fibers (not shown here) are arranged. By projecting loose fiber bundles or loose fibers F L , with which the individual chambers 5a - 5f are sewn together, also a connection to another adjacent Faserumhüllung 5 * is possible. In this way, adjoining fiber sheathings 5 * are non-positively connected to each other by twisting, stitching or interweaving and thus produce a complex, three-dimensional load-bearing structure within the component to be produced from fibers F, F L , fillers and expandable component components.
Durch das Überragen loser Faserbündel beziehungsweise loser Fasern FL, mit denen die einzelnen Fasermatten der Kammern 5a - 5f untereinander vernäht sind, wird gleichfalls eine Verbindung zu einer weiteren anliegenden Fasermatte und/oder Faserumhüllung 5* möglich. Auf diese Weise werden aneinander angrenzende Fasermatten und/oder Faserumhüllungen 5* durch Verdrillen, Vernähen oder Verweben kraftschlüssig miteinander verbunden.By projecting loose fiber bundles or loose fibers F L , with which the individual fiber mats of the chambers 5a - 5f are sewn together, also a connection to another adjacent fiber mat and / or fiber sheath 5 * is possible. In this way, adjoining fiber mats and / or fiber sheaths 5 * are non-positively connected to each other by twisting, sewing or weaving.
Durch die Einbettung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten und der ebenfalls zylinderförmigen, d. h. vorliegend prismatischen Vernähungen der Faserumhüllung 5* lassen sich die innerhalb des Matrixmaterials herzustellenden Strukturen und damit das herzustellende Bauteil äußerst stabil ausbilden, da sich bei einer Expansion der ggf. in den Kammern 5a - 5f befindlichen Bauteilkomponenten / Expander die Vernähungen N jeweils vorspannen. So wird jede Kammerwandung W1 , W2, W3 sowohl radial nach Seite 27 außen gepresst, als auch durch die mit ihr verbundene und ebenfalls nach außen gedrückte Kammerwandung W2, W3; W1 , W3 bzw. W1 , W2 daran gehindert. Zudem würde eine Kammerwandung W1 , die einen Teil einer Außenfläche definiert, gleichermaßen nach außen gedrückt wie einer solchen Ausdehnung der Kammerwandung W1 durch eine angrenzende Kammerwandung W1 - W3 einer anliegende Faserumhüllung 5* entgegen gewirkt würde.By embedding the expandable component components and the likewise cylindrical, ie in this case prismatic stitching of the fiber sheath 5 *, the structures to be produced within the matrix material and thus the component to be produced can be made extremely stable, since in an expansion of the possibly in the chambers 5a - 5f pre-tension the sutures N respectively. Thus, each chamber wall W1, W2, W3 both radially after Pressed on the outside 27, as well as by the associated with her and also outwardly depressed chamber wall W2, W3; W1, W3 or W1, W2 prevented. In addition, a chamber wall W1, which defines a part of an outer surface, would be pressed outward as well as such an expansion of the chamber wall W1 would be counteracted by an adjacent chamber wall W1-W3 of an adjacent fiber sheath 5 * .
Darüber hinaus ist ein Verzahnen von mit Fasern F, FL verbundenen Trägerkomponenten untereinander und mit den Fasermatten und/oder Faserumhüllungen 5* möglich, gerade wenn die (Außen-)Naht N einer Fasermatte einem Dreiecksmuster folgt. Durch die entlang der Naht N gebildeten Zwischenräume können bei der Expansion der expansionsfähigen Bauteilkomponenten gegeneinander bewegte Trägerkomponenten direkt oder indirekt miteinander verbunden werden. Beispielsweise erfolgt eine Verbindung benachbarter und in unterschiedlichen Kammern 5a - 5f befindlicher Trägerkomponenten über die an sie angrenzenden und kraftschlüssig mit ihnen verbindbaren Faser F, FL. Entlang der N kann somit eine durch die expansionsfähigen Bauteilkomponenten gebildete oder zumindest stabilisierte Tragstruktur innerhalb des herzustellenden Bauteils geschaffen werden.Moreover, it is possible to interlock carrier components connected to one another with fibers F, F L with one another and with the fiber mats and / or fiber sheathings 5 * , even if the (outer) seam N of a fiber mat follows a triangular pattern. As a result of the intermediate spaces formed along the seam N, mutually moved carrier components can be connected to one another directly or indirectly during expansion of the expandable component components. For example, a connection of adjacent and in different chambers 5a - 5f befindlicher carrier components via the adjoining them and frictionally connectable to them fiber F, F L. A support structure formed by the expandable component components or at least stabilized within the component to be produced can thus be created along the N.
Es wird somit möglich Raumparkettierungen aus einzelnen Kammern 5a - 5f mit den Faserumhüllungen 5* zu konfektionieren, wobei die Größe der dreieckigen Grundfläche der Kammern 5a - 5f durch Anpassung der Nähte N variiert werden kann. Es entstehen somit komplexe dreidimensionale Faserstrukturen innerhalb des fertig gestellten Bauteils, die nicht durch einen schichtweisen Laminataufbau gekennzeichnet sind, aber dennoch vergleichsweise einfach an gewünschte Kraftflüsse angepasst werden können.It is thus possible to make room parquets of individual chambers 5a - 5f with the fiber sheaths 5 * , wherein the size of the triangular base of the chambers 5a - 5f can be varied by adjusting the seams N. This results in complex three-dimensional fiber structures within the finished component, which are not characterized by a layered laminate structure, but can still be adapted comparatively easily to desired force flows.
Mit der Figur 5B wird eine weitere vorgefertigte Faserstruktur in Form einer Faserfläche 7 veranschaulicht. Diese Faserfläche 7 ist aus mehreren miteinander hexagonal vernähten Fasermatten 7a - 7d hergestellt. Dabei sind die einzelnen Fasermatten 7a - 7d jeweils an den Ecken des durch sie aufgespannten regelmäßigen Sechsecks mit mindestens einer weiteren Fasermatte 7a - 7f verbunden, so dass jeweils zwischen drei miteinander verbundenen Fasermatten 7a, 7b und 7c bzw. 7b, 7c und 7d ein Zwischenraum 8 gebildet ist.FIG. 5B illustrates another prefabricated fiber structure in the form of a fiber surface 7. This fiber surface 7 is made of several mutually hexagonal sewn fiber mats 7a - 7d. The individual fiber mats 7a-7d are each connected to at least one further fiber mat 7a-7f at the corners of the regular hexagon formed by them so that there is a gap between each of three interconnected fiber mats 7a, 7b and 7c or 7b, 7c and 7d 8 is formed.
In diese Zwischenräume 8 können expansionsfähige Bauteilkomponenten 2 bzw. 200 entsprechend den vorangegangenen Figuren eingefüllt bzw. angeordnet werden, um insbesondere eine komplexe geometrische Tragstruktur mit Fasern, Füllstoffen und Seite 28 expansionsfähigen Bauteilkomponenten innerhalb des herzustellenden Bauteils zu schaffen.In these spaces 8 expansion component components 2 and 200 can be filled or arranged according to the preceding figures, in particular a complex geometric support structure with fibers, fillers and Page 28 to create expandable component components within the component to be produced.
Insbesondere eignet sich eine Faserfläche 7 entsprechend der Figur 5B für die Schaffung schalenartiger Bauteile, in denen wenigstens eine der Faserflächen 7 oder auch mehrere Faserflächen 7 zur Schaffung einer komplexen dreidimensionalen Faserstruktur innerhalb der Kavität angeordnet werden.In particular, a fiber surface 7 according to FIG. 5B is suitable for creating shell-like components in which at least one of the fiber surfaces 7 or also a plurality of fiber surfaces 7 are arranged to create a complex three-dimensional fiber structure within the cavity.
Um eine Verbindung einzelner Faserflächen 7 sowie der auf der Faserfläche 7 aufgebrachten Komponenten (beispielsweise expansionsfähige Bauteilkomponenten 2, 2*, 200 und 200*, Füllstoffe 3, 3* sowie Additive) zu verbessern, weisen die einzelnen Fasermatten 7a-7d entlang der die hexagonale Form definierenden Kanten sowie entlang der Naht N Fasern FL auf, die einen Kraftschluss beispielsweise durch Verdrillen, Vernähen oder Verweben zu weiteren Fasern F, FL herstellen können. Dies gilt insbesondere für Fasern, die zusätzlich um die einzelnen expansionsfähigen Bauteilkomponenten 2, 2*, 200 oder 200* angeordnet worden sind (hier nicht dargestellt). Die Kammern sind offen gestaltet, um den direkten Kontakt der Faserfilamente zu ermöglichen und mit dem Aushärten der Matrix zu fixieren.In order to improve the connection of individual fiber surfaces 7 and the components applied to the fiber surface 7 (for example expandable component components 2, 2 * , 200 and 200 * , fillers 3, 3 * and additives), the individual fiber mats 7a-7d extend along the hexagonal one Form defining edges and along the seam N fibers F L , which can produce a frictional connection, for example by twisting, sewing or weaving to other fibers F, F L. This applies in particular to fibers which have additionally been arranged around the individual expansion-capable component components 2, 2 * , 200 or 200 * (not shown here). The chambers are designed to be open to allow direct contact of the fiber filaments and to be fixed as the matrix hardens.
Mit den Figuren 6A und 6B werden zwei Ausführungsbeispiele zur Verwendung eines Bauteils veranschaulicht, dass nach einem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Verbundwerkstoff hergestellt wurde. So zeigen die Figuren 6A und 6B jeweils einen Schnitt durch einen Isobarentank T bzw. T*, der eine Mehrzahl von einzelnen erfindungsgemäß hergestellten Diffusionsschichten D1-D3 bzw. D1 *-D3* aufweist.FIGS. 6A and 6B illustrate two exemplary embodiments for using a component which has been produced from a composite material according to a method according to the invention. Thus, FIGS. 6A and 6B each show a section through an isobaric tank T or T * , which has a plurality of individual diffusion layers D1-D3 or D1 * -D3 * produced according to the invention.
In der Figur 6A ist aus den einzelnen Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 jeweils ein zylinderförmiger Hohlraum geschaffen H1 , H2 bzw. H3, der jeweils vollständig von der jeweiligen Diffusionsschicht D1 , D2 bzw. D3 definiert wird und von der entsprechenden Diffusionsschicht D1 , D2 bzw. D3 vollständig umgeben ist. Dabei bildet ein Hohlraum H1 , der von der (ersten) Diffusionsschicht D1 definiert wird, einen innersten Hohlraum des Isobarentanks T, der innerhalb der jeweils größeren Hohlräume H2 und H3 liegt. Der nächst größere Hohlraum H2, der von der (zweiten) Diffusionsschicht D2 definiert wird, liegt dementsprechend innerhalb des nächst größeren Hohlraums H3, der von der äußersten (dritten) Diffusionsschicht D3 definiert ist.In FIG. 6A, a cylindrical hollow space H1, H2 or H3, each of which is completely defined by the respective diffusion layer D1, D2 or D3 and respectively by the corresponding diffusion layer D1, D2 or D3, is created from the individual diffusion layers D1, D2 and D3 D3 is completely surrounded. In this case, a cavity H1, which is defined by the (first) diffusion layer D1, forms an innermost cavity of the isobaric tank T, which lies within the respective larger cavities H2 and H3. The next larger cavity H2, which is defined by the (second) diffusion layer D2, is accordingly within the next larger cavity H3, which is defined by the outermost (third) diffusion layer D3.
Der Isobarentank T ist zur Speicherung bzw. Lagerung eines gasförmigen Fluids, zum Beispiel von Wasserstoff, ausgelegt, das vorzugsweise in den innersten Hohlraum H1 Seite 29 unter hohem Druck eingefüllt wird. Die einzelnen Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 sind mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt. Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mögliche spezifische Einstellung der Materialeigenschaften auf Basis der expansionsfähigen Bauteilkomponenten sind die Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 ab einem bestimmten (ggf. jeweils voneinander unterschiedlichem) Schwellenwert bzw. Grenzwert für einen Druck, der an der jeweiligen Diffusionsschicht D1 , D2 bzw. D3 anliegt, für das aufgenommene Fluid durchlässig ausgelegt. Mit anderen Worten, die einzelnen Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 sind ab einem bestimmten Druckwert diffusionsoffen.The isobaric tank T is designed for storage or storage of a gaseous fluid, for example of hydrogen, which is preferably in the innermost cavity H1 Page 29 is filled under high pressure. The individual diffusion layers D1, D2 and D3 are produced by means of the method according to the invention. Due to the possible with the inventive method specific adjustment of the material properties based on the expandable component components are the diffusion layers D1, D2 and D3 from a certain (possibly different from each other) threshold or limit value for a pressure on the respective diffusion layer D1, D2 or D3 is applied, designed to be permeable to the fluid received. In other words, the individual diffusion layers D1, D2 and D3 are open to diffusion at a certain pressure value.
So kann beim Erreichen eines (ersten) Schwellenwertes für den Druck innerhalb des Hohlraumes H1 das darin aufgenommene gasförmige Fluid wenigstens teilweise durch die Diffusionsschicht D1 in den angrenzenden Hohlraum H2 hindurch diffundieren, um so eine Entlastung des Hohlraums H1 zu schaffen. Damit liegt auch in dem Hohlraum H2 ein Teil des innerhalb des Isobarentanks T zu lagernden gasförmigen Fluids bei einem Druck vor. Steigt dieser Druck in dem zweiten Hohlraum H2 durch weitere Diffusion durch die Diffusionsschicht D1 über einen weiteren (zweiten) Schwellenwert hinaus an, der für die Diffusionsschicht D2 festgelegt ist, so kann das gasförmige Fluid von dem Hohlraum H2 über die Diffusionsschicht D2 in den nächst größeren Hohlraum H3 gelangen.Thus, upon reaching a (first) pressure threshold within the cavity H1, the gaseous fluid received therein may at least partially diffuse through the diffusion layer D1 into the adjacent cavity H2 so as to provide relief to the cavity H1. Thus, part of the gaseous fluid to be stored within the isobaric tank T is also present in the cavity H2 at a pressure. If this pressure in the second cavity H2 increases by further diffusion through the diffusion layer D1 beyond a further (second) threshold, which is defined for the diffusion layer D2, then the gaseous fluid can move from the cavity H2 via the diffusion layer D2 into the next larger one Reach cavity H3.
Dieses dargestellte Prinzip des Diffundierens durch die einzelnen Diffusionsschichten D1- D3 eines Isobarentanks T kann je nach Anwendungsfall nahezu beliebig um weitere Diffusionsschichten ergänzt werden, so dass ein derartiger Isobarentank mehr als die gezeigten drei Diffusionsschichten D1-D3 aufweist. Die jeweils äußerste Diffusionsschicht (in der Figur 6A die Diffusionsschicht D3) wird durch einen Mantel von einem Außenraum des Isobarentanks T getrennt, der die äußerste Diffusionsschicht (hier D3) vollständig umschließt und gegenüber dem Außenraum abdichtet. Ein derartiger Mantel ist in den Figuren 6A und 6B jedoch nicht dargestellt.Depending on the application, this illustrated principle of diffusing through the individual diffusion layers D1-D3 of an isobaric tank T can be supplemented almost arbitrarily by further diffusion layers, so that such an isobaric tank has more than the three diffusion layers D1-D3 shown. The outermost diffusion layer (the diffusion layer D3 in FIG. 6A) is separated by a jacket from an outer space of the isobaric tank T, which completely encloses the outermost diffusion layer (here D3) and seals against the outside space. However, such a jacket is not shown in FIGS. 6A and 6B.
In Übereinstimmung zu dem Isobarentank T der Figur 6A zeigt auch die Figur 6B einen mehrschichtigen Isobarentank T*, der drei unterschiedlich große Diffusionsschichten DT- D3* aufweist. Die Diffusionsschichten D1*, D2* und D3* sind von ihren Eigenschaften her identisch zu den Diffusionsschichten D1 , D2 und D3 des Isobarentanks T, weisen jedoch eine abweichende Form auf. So umschließen die Diffusionsschichten D1 *-D3* keinen zylinderförmigen Hohlraum mit kreisförmiger Grundfläche, sondern jeweils einen quaderförmigen Hohlraum HT, H2* bzw. H3*. Auch hier gilt erneut für die Größe der einzelnen Hohlräume: H3*>H2*>H1*. Seite 30In accordance with the isobaric tank T of FIG. 6A, FIG. 6B also shows a multilayer isobaric tank T * , which has three diffusion layers DT-D3 * of different sizes. The diffusion layers D1 * , D2 * and D3 * are identical in their properties to the diffusion layers D1, D2 and D3 of the isobaric tank T, but have a different shape. Thus, the diffusion layers D1 * -D3 * do not enclose a cylindrical cavity with a circular base, but in each case a cuboid cavity HT, H2 * or H3 * . Here again, the size of the individual cavities is valid: H3 * > H2 * > H1 * . Page 30
Zusätzlich zu den bereits in der Figur 6A erläuterten Zusammenhängen veranschaulicht die Figur 6B mit den beispielhaft eingezeichneten Diffusionsrichtungen S12 und S23 die Diffusion des gasförmigen Fluids innerhalb des Isobarentanks T*, wenn die einzelnen eingestellten (Druck-) Schwellwerte der Diffusionsschichten D1*, D2* und D3* erreicht werden. Dies wird weiterhin durch die in der Figur 6B eingetragenen Drücke P1, p2 und p3 in den Hohlräumen H1*, H2* und H3* verdeutlicht, wobei in diesem Ausführungsbeispiel p1>p2>p3 gilt. Dementsprechend wird eine Entnahme des innerhalb des Isobarentanks T* (bzw. des Isobarentanks T) gespeicherten Gases an dem äußersten Hohlraum H3* (bzw. H3) bevorzugt, während das gasförmige Fluid unter der größten Kompression innerhalb des innersten Hohlraums H1* (bzw. H1) vorliegt.In addition to the relationships already explained in FIG. 6A, FIG. 6B illustrates, with the exemplary diffusion directions S 12 and S 23, the diffusion of the gaseous fluid within the isobaric tank T * when the individual set (pressure) threshold values of the diffusion layers D 1 * , D 2 * and D3 * can be achieved. This is further illustrated by the pressures P 1 , p 2 and p 3 in the cavities H1 * , H2 * and H3 * which are plotted in FIG. 6B, p 1 > p 2 > p 3 being valid in this exemplary embodiment. Accordingly, extraction of the gas stored within the isobaric tank T * (or the isobaric tank T) at the outermost cavity H3 * (or H3) is preferred, while the gaseous fluid under the largest compression within the innermost cavity H1 * (or H1 ) is present.
Über eine Kompressionsleitung K und eine entsprechende Förderungsvorrichtung für das Fluid kann bei Erreichen eines als kritisch angesehenen Drucks p3 innerhalb des äußersten Hohlraums H3* eine Förderung von Fluid aus dem Hohlraum H3* in den innersten (ersten Hohlraum H1*) des Isobarentanks T* erfolgen.Via a compression line K and a corresponding delivery device for the fluid, upon reaching a critical pressure p 3 within the outermost cavity H 3 *, delivery of fluid from the cavity H 3 * to the innermost (first cavity H 1 * ) of the isobaric tank T * takes place ,
Auch das Anwendungsbeispiel der Figuren 6A und 6B verdeutlicht die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem durch den Einsatz von expansionsfähigen Bauteilkomponenten, Füllstoffen und Additiven innerhalb einer Faserstruktur für ein aus einem Verbundwerkstoff hergestelltes Bauteil in einfacher Weise spezifische Funktionalitäten, insbesondere Diffusionsfähigkeit und die gezielte Leitung von Kraftflüssen, aufgenommen und bereits bei der Herstellung des Bauteils eingestellt werden können.The example of application of FIGS. 6A and 6B also illustrates the advantages of the method according to the invention, in which specific functionalities, in particular diffusibility and the targeted conduction of components, fillers and additives within a fiber structure for a component produced from a composite material are easily achieved Force flows, recorded and can be adjusted during the manufacture of the component.
Durch eine Befüllung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten oder der Befüllung mit ihnen innerhalb des Bauteils gezielt belassener Hohlräume mit Gas bzw. einer nachträglichen Evakuierung eines solchen Gases können auch die Wärmeleitfähigkeit des herzustellenden Bauteils vergleichsweise einfach und in einem nahezu beliebigen Detaillierungsgrad eingestellt werden.By filling the expansion-capable component components or the filling with them within the component of specifically left cavities with gas or a subsequent evacuation of such a gas, the thermal conductivity of the component to be produced can be adjusted comparatively easily and in almost any degree of detail.
Durch die variable Ausdehnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten lässt sich eine gewünschte Faserstruktur bzw. -architektur vom Nano- bis in den Makrobereich skalieren. Dennoch können während des Herstellungsprozesses des Bauteils kostengünstige und marktübliche Materialien und Verfahren für die Einbringung des Matrixmaterials zum Einsatz kommen. Herkömmliche Verfahren für die Herstellung von (Leicht-) Bauteilen aus Verbundwerkstoffen, wie zum Beispiel das Verkleben von Seite 31 sphärisch geformten Halbschalen, wie dies bei Tragflächen von Flugzeugen oder Rotorblättern für Windkraftanlagen üblicherweise realisiert wird, können durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ersetzt werden, da die zu fertigenden Bauteile kostengünstig in einem Stück gefertigt werden können. Due to the variable expansion of the expandable component components, a desired fiber structure or architecture can be scaled from the nano to the macro range. Nevertheless, inexpensive and commercially available materials and methods for introducing the matrix material can be used during the manufacturing process of the component. Conventional methods for the production of (lightweight) components made of composite materials, such as the bonding of Page 31 spherically shaped half-shells, as usually realized in airfoils of aircraft or rotor blades for wind turbines, can be replaced by the application of the method according to the invention, since the components to be manufactured can be manufactured inexpensively in one piece.
Seite 32 BezugszeichenlistePage 32 List of Reference Signs
1 Bauteil1 component
2, 2* (kugelförmige) Bauteilkomponente / Expander2, 2 * (spherical) component component / expander
20 (zentrale) Bauteilkomponente / Expander 200, 200* Bauteilkomponente / Expander20 (central) component part / expander 200, 200 * component component / expander
201 , 202 Anordnungsmuster201, 202 arrangement pattern
21 (dezentrale) Bauteilkomponente / Expander 3, 3* Füllstoff / Additiv21 (decentralized) component component / expander 3, 3 * filler / additive
4 Matrixmaterial4 matrix material
5 Faserschlauch 5* Faserumhüllung 5a, 5b, 5c, 5d, 5e Kammer5 fiber tube 5 * fiber sheath 5a, 5b, 5c, 5d, 5e chamber
50* Faserstruktur50 * fiber structure
50, 51 , 52 Faserstruktur50, 51, 52 fiber structure
6 Fasergrundfläche 6.1 , 6.2 Funktionsbereich6 Fiber basis 6.1, 6.2 Functional range
60 Mantelfläche60 lateral surface
61 Funktionsbereich61 functional area
7 Faserfläche 7a, 7b, 7c, 7d Fasermatte7 fiber surface 7a, 7b, 7c, 7d fiber mat
8 Zwischenraum D1*, D2*, D3* Diffusionsschicht D1 , D2, D3 Diffusionsschicht F Faser(n)8 gap D1 * , D2 * , D3 * diffusion layer D1, D2, D3 diffusion layer F fiber (s)
FL (lose) Faser(n)F L (loose) fiber (s)
H1*, H2*, H3* HohlraumH1 * , H2 *, H3 * cavity
H1. H2, H3 HohlraumH1. H2, H3 cavity
K KompressionsleitungK compression line
L FaltlinieL folding line
N NahtN seam
Pi, P2, Pa DruckPi, P2, Pa pressure
S12, S23 DiffusionsrichtungS 12 , S 23 diffusion direction
T, T* IsobarentankT, T * isobaric tank
V KavitätV cavity
W1 , W2, W3 KammerwandungW1, W2, W3 chamber wall
* * * * ** * * * *

Claims

Seite 33 Ansprüche Page 33 claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus einem Verbundwerkstoff, der wenigstens aus einem Matrixmaterial (4) und einer Mehrzahl von darin eingebetteten Fasern (F, FL) besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:A method of manufacturing a composite component (1) comprising at least one matrix material (4) and a plurality of fibers (F, FL) embedded therein, said method comprising the steps of:
- Bereitstellen einer Form gebenden Kavität (V) für das herzustellende Bauteil (1),Providing a mold-giving cavity (V) for the component (1) to be produced,
- Anordnung von expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200,Arrangement of expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200,
200*) in der Kavität (V) und von die die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) wenigstens teilweise umgebenden Fasern (F, FL),200 * ) in the cavity (V) and of the expansion-capable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) at least partially surrounding fibers (F, F L ),
- Verschließen der Kavität (V) und Evakuierung der Kavität (V) derart, dass sich die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) ausdehnen können,Closing the cavity (V) and evacuating the cavity (V) in such a way that the expandable component parts (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) can expand,
- Ausdehnen der expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*),Expanding the expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ),
- Einbringen des wenigstens einen Matrixmaterials (4) in Form eines Fluids in die Kavität (V) und- Introducing the at least one matrix material (4) in the form of a fluid in the cavity (V) and
- Entnahme des aus dem erhärteten Matrixmaterial (4), den- Removal of the hardened matrix material (4), the
Bauteilkomponenten (2, 2*. 20, 21, 200, 200*) und Fasern (F, FL) gebildeten Bauteils (1), wobei die Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und Fasern (F, FL) in dem Matrixmatrial (4) eingebettet sind.Component components (2, 2 *. 20, 21, 200, 200 * ) and fibers (F, F L ) formed component (1), wherein the component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 *) and fibers (F, F L ) are embedded in the matrix matrix (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) bereits vor Ihrer Anordnung in der Kavität (V) wenigstens teilweise mit Fasern (F, FL) umgeben sind und/oder Fasern (F, FL) separat von den expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) in der Kavität (V) angeordnet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the expansion-capable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) already before their arrangement in the cavity (V) at least partially surrounded by fibers (F, F L ) and / or fibers (F, F L ) are arranged separately from the expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 *) in the cavity (V).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) Seite 34 innerhalb der Kavität (V) nach einem vordefinierten Muster (201 , 202) erfolgt, durch das in dem fertiggestellten Bauteil (1) voneinander abgrenzbare Funktionsbereiche (6.1 , 6.2, 61) entstehen, die jeweils für die bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils (1) auftretenden Belastungen optimiert sind.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the arrangement of the expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) Within the cavity (V) according to a predefined pattern (201, 202) takes place through which in the finished component (1) delimitable functional areas (6.1, 6.2, 61) arise, each for the intended use of the component ( 1) occurring loads are optimized.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (F, FL) dreidimensional untereinander bzw. miteinander gezielt verbunden werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the fibers (F, F L ) are three-dimensionally interconnected with each other or with each other.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) in wenigstens einer vorgefertigten Faserumhüllung (5, 5*) und/oder auf einer Faserfläche (6, 7) angeordnet werden, die jeweils aus Fasern (F1 FL), insbesondere aus Faserrovings, Fasergelegen, Fasermatten (7a - 7d) oder wenigstens einem Faserschlauch (5), hergestellt sind,5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) in at least one prefabricated fiber sheath (5, 5 * ) and / or on a fiber surface (6 7), each of which is made of fibers (F 1 F L ), in particular of fiber rovings, fiber rims, fiber mats (7a-7d) or at least one fiber hose (5),
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass expansionsfähige Bauteilkomponenten (2, 2*) innerhalb wenigstens einer aus einem Faserschlauch (5) gebildeten Faserumhüllung (5, 5*) angeordnet werden.6. The method according to claim 5, characterized in that expandable component components (2, 2 * ) within at least one of a fiber tube (5) formed fiber sheath (5, 5 *) are arranged.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faserfläche (7), auf der die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) angeordnet werden, aus einzelnen miteinander verbundenen Fasermatten (7a - 7d) besteht.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that a fiber surface (7) on which the expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 *) are arranged, from individual interconnected fiber mats (7a - 7a). 7d).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) auf einer im Wesentlichen ebenen, ausgebreiteten Faserfläche (6) angeordnet werden, die derart aufgewickelt wird, dass sich die darauf angeordneten Komponenten im Inneren der aufgewickelten Faserfläche (6) befinden, und die aufgewickelte8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that at least the expansion-capable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) are arranged on a substantially flat, spread-out fiber surface (6), such is wound with the components arranged thereon inside the wound-up fiber surface (6), and the wound up
Faserfläche (6) in der Kavität (V) angeordnet wird, bevor das Matrixmaterial (4) in die Kavität (V) eingebracht wird.Fiber surface (6) in the cavity (V) is arranged before the matrix material (4) is introduced into the cavity (V).
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Evakuierung der Kavität (V) Füllstoffe (3, 3*) zur Beeinflussung der9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that prior to the evacuation of the cavity (V) fillers (3, 3 * ) for influencing the
Eigenschaften des herzustellenden Bauteils (1 ) in der Kavität (V) angeordnet werden, Seite 35 die die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und/oder Fasern (F, FL) zumindest abschnittsweise umgeben.Characteristics of the component to be produced (1) are arranged in the cavity (V), Page 35 surrounding the expansion-capable component components (2, 2 *, 20, 21, 200, 200 *) and / or fibers (F, F L ) at least in sections.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6 und dem Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Füllstoffe (3, 3*) in die vorgefertigten Faserumhüllungen (5,10. The method according to any one of claims 5 or 6 and the claim 9, characterized in that fillers (3, 3 * ) in the prefabricated Faserumhüllungen (5,
5*) eingebracht werden und/oder Füllstoffe (3, 3*) zumindest abschnittsweise die vorgefertigten Faserumhüllungen (5, 5*) umgeben.5 * ) are introduced and / or fillers (3, 3 * ) at least partially surrounded the prefabricated fiber sheaths (5, 5 *).
11. Verfahren nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass expansionsfähige Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200,11. The method according to claim 7 and one of claims 9 or 10, characterized in that expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200,
200*) und Füllstoffe (3, 3*) in Kammern (8) der Faserfläche (7) eingebracht werden, wobei die Kammern (8) durch Vernähen von Fasern (F, FL) insbesondere von Faserflächen (7) gebildet sind.200 *) and fillers (3, 3 * ) in chambers (8) of the fiber surface (7) are introduced, wherein the chambers (8) by sewing fibers (F, FL) are formed in particular of fiber surfaces (7).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die expandierten Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und die sie zumindest abschnittsweise umgebenden Füllstoffe (3, 3*) und/oder Fasern (F, FL) nach dem Aushärten des Matrixmaterials (4) eine definierte Tragstruktur innerhalb des fertiggestellten Bauteils (1) bilden.12. The method according to any one of claims claim 9 to 11, characterized in that the expanded component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) and at least partially surrounding fillers (3, 3 * ) and / or Fibers (F, F L ) after curing of the matrix material (4) form a defined support structure within the finished component (1).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilkomponenten (2, 2*. 20, 21 , 200, 200*), Fasern (F, FL), Trägerkomponenten und/oder Füllstoffe (3, 3*) mit wenigstens einem Additiv so behandelt werden, dass eine gezielte und lokal steuerbare Beeinflussung der Vernetzung des Matrixmaterials (4) erfolgt.13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the component components (2, 2 *. 20, 21, 200, 200 * ), fibers (F, F L ), carrier components and / or fillers (3, 3 * ) are treated with at least one additive so that a targeted and locally controllable influence on the crosslinking of the matrix material (4) takes place.
14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) kraftschlüssig mit Fasern (F, FL) verbunden sind.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least a portion of the expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) are non-positively connected to fibers (F, F L ).
15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Matrixmaterials (4) nach der Evakuierung der Kavität (V) erfolgt, und/oder dass eine zusätzliche Expansion von Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und/oder expansionsfähiger Füllstoffe (3, 3*) nach der Einbringung des Matrixmaterials (4) erfolgt. Seite 3615. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the introduction of the matrix material (4) after the evacuation of the cavity (V), and / or that an additional expansion of component components (2, 2 * , 20, 21, 200 , 200 * ) and / or expandable fillers (3, 3 * ) after introduction of the matrix material (4). Page 36
16. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Evakuierung der Kavität (V) Trägerkomponenten zur Schaffung einer innerhalb des herzustellenden Bauteils (1) Kräfte leitenden Tragstruktur in der Kavität (V) angeordnet werden.16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that before the evacuation of the cavity (V) carrier components for creating a within the produced component (1) forces conductive support structure in the cavity (V) are arranged.
17. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) wenigstens teilweise durch gasdicht abgeschlossene und mit Gas und/oder Trägerkomponenten gefüllte Hohlkörper gebildet werden.17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the expandable component components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 *) are at least partially formed by gas-tight and filled with gas and / or carrier components hollow body.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper von einem Elastomer oder Latex umgeben sind.18. The method according to claim 17, characterized in that the hollow bodies are surrounded by an elastomer or latex.
19. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Materialeigenschaften des herzustellenden Bauteils (1) vor dem Einbringen des Matrixmaterials (4) in die Kavität (V) Additive auf die Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*), auf Fasern (F, FL) Trägerkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) und/oder auf Füllstoffe (3, 3*) aufgebracht werden, die mit dem wenigstens einen Matrixmaterial (4) chemisch reagieren.19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for influencing the material properties of the produced component (1) before introducing the matrix material (4) in the cavity (V) additives to the component components (2, 2 * , 20, 21 , 200, 200 *), on fibers (F, F L ) carrier components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 * ) and / or on fillers (3, 3 * ) are applied to the at least one Matrix material (4) react chemically.
20. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lösungsmittel enthaltene Kohlenstoffnanoröhren ("carbon nano tubes") auf die expansionsfähigen Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*), auf Fasern (F, FL), Trägerkomponenten und/oder Füllstoffe (3, 3*) aufgesprüht werden.20. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that contained in a solvent carbon nanotubes ("carbon nanotubes") on the expandable component components (2, 2 *, 20, 21, 200, 200 * ), on fibers (F, F L ), carrier components and / or fillers (3, 3 * ) are sprayed on.
21. Verfahren nach einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (4) ein Harz, insbesondere ein Duromer, ein Elastomer oder ein Thermoplast aufweist.21. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the matrix material (4) comprises a resin, in particular a duromer, an elastomer or a thermoplastic.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (4) ein Biopolymer aufweist, das im Wesentlichen aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird.22. The method according to claim 21, characterized in that the matrix material (4) comprises a biopolymer, which is obtained substantially from renewable raw materials.
23. Verfahren nach einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil in dem herzustellenden Bauteil (1) durch die bei der23. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the fiber volume fraction in the produced component (1) by the at
Evakuierung der Kavität (V) sich ausdehnenden Bauteilkomponenten (2, 2*, 20, 21 , 200, 200*) gezielt reguliert wird. Seite 37Evacuation of the cavity (V) expanding components (2, 2 * , 20, 21, 200, 200 *) is specifically regulated. Page 37
24. Verfahren nach einen der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumenanteil des herzustellenden Bauteils (1) zwischen 15-90% liegt.24. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the fiber volume fraction of the component to be produced (1) is between 15-90%.
25. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) aus einem Verbundwerkstoff, der wenigstens aus einem Matrixmaterial (4) und einer Mehrzahl von darin eingebetteten Fasern (F, FL) besteht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:25. A method for producing a component (1) from a composite material which consists of at least one matrix material (4) and a plurality of fibers (F, FL) embedded therein, the method comprising the following steps:
- Bereitstellen einer Form gebenden Kavität (V) für das herzustellende Bauteil- Providing a shape giving cavity (V) for the component to be produced
(D.(D.
Anordnung von Fasern (F, FL) innerhalb der Kavität (V),Arrangement of fibers (F, F L ) within the cavity (V),
- Aufbringen von Additiven und/oder Füllstoffen auf die Fasen (F, FL), die bei der Einbringung des wenigstens einen Matrixmaterials (4) mit dem Matrixmaterial (4) reagieren und/oder lokal die Eigenschaften des herzustellten Bauteils beeinflussen, undApplying additives and / or fillers to the chamfers (F, F L ) which react with the matrix material (4) during the introduction of the at least one matrix material (4) and / or locally influence the properties of the component to be produced, and
- Einbringen des wenigstens Matrixmaterials (4) in Form eines Fluids in die- introducing the at least matrix material (4) in the form of a fluid into the
Kavität (V) undCavity (V) and
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Lösungsmittel enthaltene Kohlenstoffnanoröhren ("carbon nano tubes") auf die Fasern (F, FL) aufgesprüht werden.26. The method according to claim 25, characterized in that contained in a solvent carbon nanotubes ("carbon nano tubes") are sprayed onto the fibers (F, F L ).
27. Bauteil aus einem Verbundwerkstoff, das gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26 hergestellt ist.27. Component of a composite material, which is produced according to a method according to one of claims 1 to 26.
28. Isobarentank (T, T*) zur Aufbewahrung eines gasförmigen Fluids, der wenigstens eine erste und eine zweite Diffusionsschicht (D1 - D3; D1* - D3*) und einen Mantel aufweist, wobei die erste Diffusionsschicht (D1 , D1 *, D2, D2*) im Inneren des Isobarentanks (T, T*) einen ersten Hohlraum (H1 , H1*, H2, H2*) zur Aufnahme des Fluids vollständig umschließt, die zweite Diffusionsschicht (D2, D2*, D3, D3*) einen zweiten Hohlraum (H2, H2*, H3, H3*) vollständig umschließt, in dem der ersteAn isobaric tank (T, T * ) for storing a gaseous fluid having at least a first and a second diffusion layer (D1-D3, D1 * - D3 * ) and a cladding, said first diffusion layer (D1, D1 * , D2 , D2 * ) inside the isobar tank (T, T * ) completely encloses a first cavity (H1, H1 *, H2, H2 * ) for receiving the fluid, the second diffusion layer (D2, D2 * , D3, D3 * ) encloses one second cavity (H2, H2 * , H3, H3 *) completely encloses, in which the first
Hohlraum (H1 , H1*, H2, H2*) komplett aufgenommen ist, und der Mantel die zweite Diffusionsschicht (D2, D2*, D3, D3*) vollständig umschließt, um den Isobarentank (T, Seite 38Cavity (H1, H1 * , H2, H2 *) is completely accommodated, and the shell completely encloses the second diffusion layer (D2, D2 * , D3, D3 * ) to the isobaric tank (T, Page 38
T*) gegenüber einem Außenraum abzudichten, wobei die Diffusionsschicht (D1 - D3; D1 * - D3*) jeweils ab einem Schwelle (p1 , p2, p3), der an der jeweiligen Diffusionsschicht (D1 - D3; Dr dem Isobarentank (T, T*) aufgenommene gasförmige Fluid ar durchlässig ist.T * ) with respect to an outer space, wherein the diffusion layer (D1-D3, D1 * -D3 * ) in each case from a threshold (p1, p2, p3) at the respective diffusion layer (D1-D3; Dr the isobaric tank (T, T *) received gaseous fluid is permeable ar.
29. Verwendung eines Bauteils nach dem Anspruch 27 zur Herstellui Diffusionsschicht (D1 - D3; D1 * - D3*) für einen Isobarentank Anspruch 28.29. Use of a component according to claim 27 for manufacturing a diffusion layer (D1-D3, D1 * - D3 * ) for an isobaric tank according to claim 28.
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