WO2019219183A1 - Verfahren zur herstellung einer faserstruktur sowie verfahren zur herstellung eines faserverstärkten bauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer faserstruktur sowie verfahren zur herstellung eines faserverstärkten bauteils Download PDF

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WO2019219183A1
WO2019219183A1 PCT/EP2018/062710 EP2018062710W WO2019219183A1 WO 2019219183 A1 WO2019219183 A1 WO 2019219183A1 EP 2018062710 W EP2018062710 W EP 2018062710W WO 2019219183 A1 WO2019219183 A1 WO 2019219183A1
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fiber
positioning device
fiber structure
positioning
producing
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PCT/EP2018/062710
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Inventor
Matthias Nothdurft
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Matthias Nothdurft
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/54—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing
    • B29C70/543—Fixing the position or configuration of fibrous reinforcements before or during moulding

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a fiber structure and to a method for producing a fiber-reinforced component starting from the fiber structure.
  • the load-bearing structural parts are no longer made of metallic materials but of fiber-reinforced plastics.
  • the vehicle weight can be significantly reduced, which can have positive effects on emissions, consumption and performance.
  • the fiber materials are usually made of flat textiles, by rolling and cutting rolls. These two-dimensional fiber mats are then used from single layers or multiple layers to build up stacks.
  • identical or different textile layers can be fixed to one another before or during a preforming process in order to obtain better handling of the fiber stacks.
  • fiber composite structures can be created, which are reinforced only locally.
  • the fiber stacks thus produced are then geometrically converted to a desired shape in a preforming process.
  • the stacks can also be further processed directly in the impregnation process and the individual components obtained therefrom are adhesively bonded or otherwise connected to one another after the trimming in order to produce components or substructures.
  • groups of a body For aligning the position of the individual fiber layers to each other or for positioning individual components to each other optical systems are usually used, which detect the component geometry. Based on this, the components are then aligned with one another.
  • the present invention has the object of specifying a method for producing a fiber structure whose fiber layers are fixed to one another in a particularly simple manner. Furthermore, it is an object of this invention to provide a process for the production of fiber composite components, which are characterized by high quality properties and consistent reproducibility.
  • the force flow is taken into account in the later component, so that the fiber layer is oriented to the load.
  • the selection of the predetermined location at which the positioning device is introduced into the fiber structure depends essentially on the later graspability of the component, ie. H. from the possibility of a handling robot to detect the later component.
  • the introduction of the positioning device at this early stage also has the advantage that the individual layers are fixed to one another.
  • the fiber structure can have a single fiber layer or can be formed from a plurality of fiber layers, with each fiber layer, which is present at this point, being pierced by the positioning device when the positioning device is introduced.
  • the fibers in the fiber structure can be displaced by the positioning device.
  • the fibers are essentially displaced in a plane perpendicular to the direction of insertion of the positioning device. This offers the advantage that the fibers are not severed in the fiber layers, but are displaced only to the side, so that the strength of the later component is not or only slightly affected.
  • the positioning device is of such an outer shape that the positioning device tapers in the direction of introduction from a first end to a second end and when inserted into the fiber structure first with the second, d. H. tapered end, penetrates into the fiber structure.
  • This tapered shape is particularly advantageous for preventing fiber breaks in the fiber layers. Furthermore, after insertion of the positioning device into the fiber structure, the tapered end of the positioning device on the second side can protrude out of the fiber structure and be formed into a bundle. As a result, a fixation of the fiber layers in the direction of insertion can be achieved. Thus, the fiber layers are secured not only in Einbring- direction, but also in directions that are substantially perpendicular thereto, against accidental shifting or slipping.
  • a ring can be pushed onto the tapered end, which protrudes on the second side of the fiber structure, before the tapered end is formed into a collar. This offers the advantage that a large-area clamping over the ring can be achieved even with a small design of the collar.
  • the positioning device can have a fiber displacement device at its tapering end, which is removed from the positioning device after the positioning device has been completely introduced into the fiber structure on a side of the fiber structure remote from the penetration direction.
  • the fiber displacement device acts as an insertion mandrel and additionally supports the damage-free displacement of the fibers.
  • the positioning unit can also be replaced by a spreading mechanism after the fibers have been displaced.
  • a matrix component or a binder is already introduced, which can be converted by targeted (local) melting or curing to a positioning or embedded in this.
  • the invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic component, comprising the steps:
  • the fiber structure is thus produced outside a tool for the production of the component and then inserted into the tool.
  • This tool comprises engagement elements such as position pins or corresponding recesses which can be positively engaged with the positioning means.
  • the positioning devices are then suitably used to align the prefabricated fiber structure in position, location and / or position in the tool.
  • the matrix encloses the positioning device, so that a positive connection between the positioning device and the resin matrix is created by application of pressure and / or temperature.
  • the positioning device and the resin matrix may be formed from the same material, so that a cohesive connection between the positioning device and the resin matrix is produced by application of pressure and / or temperature.
  • the fiber-reinforced component can be produced by the wet-pressing process, in the resin transfer molding process (RTM) or in another fiber composite production process.
  • the reinforcing fibers may be organic or inorganic reinforcing fibers.
  • the reinforcing fibers may be, for example, carbon fibers. Together with the plastic matrix, these form a carbon-fiber-reinforced plastic, also known as CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP).
  • CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic
  • the associated FRP component is then a CFRP component.
  • the reinforcing fibers can be For example, be glass fibers. Together with the plastic matrix, these form a glass-fiber reinforced plastic, also called GRP.
  • the associated FRP component is then a GRP component.
  • the reinforcing fibers may include, for example, aramid fibers, polyester fibers, nylon fibers, polyethylene fibers, PMMA fibers, basalt fibers, boron fibers, ceramic fibers, silica fibers, steel fibers, recycling fibers and / or natural fibers.
  • the material of the plastic matrix may in particular comprise one or more thermoplastics (thermoplastics) and / or duroplastic plastics (thermosets).
  • Fiber-reinforced plastics with a thermoplastic matrix have the advantage that they can be subsequently reshaped or welded.
  • Suitable thermoplastic materials include, for example: polyether ether ketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI) and / or polytetrafluoroethene (PTFE). Fiber-reinforced plastics with a thermosetting matrix can not be reshaped after curing or crosslinking of the matrix.
  • Fiber-reinforced plastics with duroplastic matrix usually have the highest strengths.
  • thermosetting plastics or matrix e.g. epoxy resin (EP), unsaturated polyester resin (UP), vinyl ester resin (VE), phenol-formaldehyde resin (PF), diallyl phthalate resin (DAP), methacrylate resin (MMA), polyurethane (PUR), amino resins, melamine resin (MF / MP) and / or urea resin (UF).
  • Structural components of vehicles in the context of this invention are, in particular, side members, cross members, A, B, C, D pillars, rockers, roof side frames, roof bow, etc.
  • the positioning facilitate the automated gripping of the textile components, which are advantageous, for example, following the fiber layer production in the pre-Foamries.
  • the pre-foaming process is improved by the positioning device directly in the later part of the component to the effect that the fiber displacement in the region between the positioning aids is reduced.
  • the positioning ensure that the component is always taken in the same position in the tool.
  • This offers, for example, the advantage that the trimming of the pre-foams can take place relatively close to the final contour on the later edge of the component, as a result of which the resin consumption and the resulting component trimming are reduced.
  • This improved reproducibility with regard to the positioning of the layer package or pre-foam also reduces the factors influencing the effects of different fiber consolidation, wrinkling and improves the infiltration process when the matrix resin is introduced into the fiber structure.
  • the positioning devices can also be used for other processes, such.
  • B. Positioning in the trimming tool continue to be used.
  • these positioning devices can serve to realize a defined distance, orientation or position relative to the adjacent component and thus, for example, set a defined adhesive gap.
  • Fig. 1 a fiber structure before introduction of the positioning in the fiber structure
  • FIG. 3 shows a positioning device introduced into the fiber structure with removed fiber displacement device and attached ring
  • FIG. 4 an inserted positioning element with a reshaped upper collar
  • 5 shows a process description using an example positioning element.
  • Fig. 1 shows a fiber structure 20 which is formed of a plurality of fiber layers 21. Contrary to the representation, spacer layers may also be formed between the individual fiber layers 21.
  • the fiber layer 20 has a first side A and a second side B.
  • a positioning device 10 is pressed in the direction E from the first side A to the second side B through the fiber structure 20.
  • the positioning device 10 comprises a base part 12, which is designed by way of example and not limitation as a hollow rivet.
  • This hollow rivet 12 has a first, figuratively lower end, on which a circumferential collar 15 is located.
  • a fiber displacement device 1 1 is provided at this, in the axial direction of the tubular rivet 12 opposite end.
  • the tubular rivet tapers in the course of its first end with collar 15 arranged thereon to its second end with fiber displacement device 11 arranged thereon.
  • Fig. 2 shows the end position of the positioning device 10 in the fiber structure.
  • the base body 12 or hollow rivet penetrates all fiber layers 21 of the fiber structure 20.
  • the positioning device 10 lies with the collar 15 on the first surface A. the fiber structure 20 on.
  • the second end of the hollow rivet 12 with fiber displacement device 1 1 arranged thereon protrudes on the second side B of the fiber structure 20.
  • the fiber displacement device 11 is separated. This is exemplified as a mandrel with tapered geometry. Of course, it can also be designed as a rounded tip cap. After or before removing the fiber displacement device 1 1, a ring 14 is pushed onto the tapered end until this ring rests on the second side of the fiber structure 20.
  • FIG. 4 shows how, with the aid of a joining mandrel 30, the upper region of the tapered end of the positioning device 10 is formed into a second collar 13.
  • the second collar 13 is pressed onto the ring 14.
  • the positioning device 10 is secured against slipping in the fiber structure 20 in the direction of insertion E.
  • FIG. 5 shows an exemplary process description using an example positioning element in steps a-d.
  • the respective fiber structure 20 which is composed of the individual fiber layers 21 and thus forms a textile layer package is shown.
  • step a the introduction of the positioning device 10, which is designed here as ⁇ senhülse shown.
  • the introduction can be realized for example by stabbing.
  • the fiber displacement device 11 is formed as a rounded tip cap 1 1.
  • Step b shows the decrease of the fiber displacement device 11 and the placement of the counter ring 14 on the fiber structure 20, similar to that shown and described in FIG.
  • Step c shows the incipient deformation of the eyelet sleeve or the positioning device 10 by the introduction of a joining mandrel into the opening of the eyelet sleeve.
  • Step d shows the finished pressed eyelet 10. By pressing the eyelet 10 is secured against slipping in the layer package or fiber structure 20. The eyelet 10 was pressed so that it rests against the attached counter-ring 14.
  • the positioning means 10 may be formed, for example, as a hollow rivet or as eyelets. Suitable materials here are in particular metals or plastics. In particular with the use of positioning devices 10 made of plastics, a suitable connection between the positioning device and the resin material can be realized by suitable choice of the plastic material and by suitable choice of the matrix material of the later fiber composite component. For not yet fixed fiber layers 21 of the fiber structure 20, it is advisable, the
  • a two-sided clamping of a positioning device can also be produced without the counter ring 14.
  • positioning devices 10 made of metal the introduction and fixing z. B. by pressing in and forming the rivet.
  • plastic positioning devices 10 the shaping of which takes place on the tapering side by melting, for example by means of ultrasound, and forming by means of a correspondingly shaped dome.
  • a one-sided clamping takes place with a single collar 15 and on the tapered side no deformation to a second collar 13 is performed.
  • the positioning devices 10 can clamp the surrounding fibers and thus secure themselves against slipping in the layer package or the fiber structure 20.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur (20), mit den Schritten: - Ausrichten mindestens einer Faserlage (21) in einer vorbestimmten Position und - Einbringen einer Positioniereinrichtung (10) in die Faserlage (21) an einer vorbe- stimmten Stelleder Faserstruktur (20), wobei die Positioniereinrichtung in Einbring- richtung (E) die Faserstruktur (20) von einer ersten Seite (A) zu einer der ersten Sei- te (A) gegenüberliegenden zweiten Seite (B) durchdringt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärk- ten Kunststoffbauteils.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur sowie Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils ausgehend von der Fa- serstruktur.
Insbesondere im Fahrzeugbau hat es sich in letzter Zeit bewährt, die tragenden Strukturtei- le nicht mehr aus metallischen Materialien, sondern aus faser- verstärkten Kunststoffen herzustellen. Dadurch kann das Fahrzeuggewicht wesentlich reduziert werden, wodurch sich positive Effekte auf Emissionsausstoß, Verbrauch und Fahrleistungen erzielen lassen. Bislang werden im Faserverbundbau die Fasermaterialien meist aus flächigen Textilien, durch Abrollen und Zuschneiden von Rollen hergestellt. Diese flächigen Fasermatten wer- den dann aus Einzellagen oder aus Mehrfachlagen zum Aufbau von Stapeln verwendet. Hierbei können gleiche oder unterschiedliche Textillagen vor oder während eines Prefor- ming-Prozesses zu einander fixiert werden, um eine bessere Handhabung des Fasersta- pels zu erhalten. Durch geeignete Vorkonfektionierung der Stapel, können Faserverbund- strukturen geschaffen werden, die nur lokal verstärkt sind. Die so erzeugten Faserstapel wer- den anschließend in einem Preform-Verfahren geometrisch auf eine gewünschte Form umgeformt. Alternativ können die Stapel auch direkt im Tränkungsprozess weiterverarbeitet werden und die daraus erzielten einzelnen Bauteile nach dem Beschnitt miteinander ver- klebt oder auf andere Weise miteinander verbunden werden, um Bauteile oder Unterbau- gruppen einer Karosse zu erhalten. Zur Ausrichtung der Position der einzelnen Faserlagen zueinander oder zur Positionierung einzelner Bauteile zueinander werden meist optische Systeme genützt, welche die Bauteilgeometrie erfassen. Basierend darauf werden dann die Bauteile zueinander ausgerichtet.
Um eine ausreichende Positioniergenauigkeit und damit verbunden eine ausreichende Pro- zesswiederholbarkeit zu gewährleisten, muss ein bildverarbeitungstechnisch hoher Aufwand betrieben werden, um über die gesamte Prozesskette der Faserverbundherstellung die kor- rekte Verarbeitung zu gewährleisten.
Um eine qualitativ hochwertige Verarbeitung zu Realisieren und ein zueinander ortsfestes Ausrichten der einzelnen Faserlagen zu gewährleisten, ist es aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 060 674 A1 bekannt, Flächentextilien durch Vernähen zueinander zu fixieren. Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Auf- gabe, ein Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur anzugeben, deren Faserlagen zuei- nander auf besonders einfache Weise (vor-) fixiert werden. Weiterhin ist es Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen anzugeben, die sich durch hohe qualitative Eigenschaften und gleichbleibende Reproduzierbarkeit auszeichnen.
Diese Aufgabe wird jeweils durch ein Verfahren mit dem Merkmal des unabhängigen Pa- tentanspruchs 1 und des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst. Hiervon abhängige Pa- tentansprüche stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Fa- serstruktur vor, mit den Schritten:
- Ausrichten mindestens einer Faserlage in einer vorbestimmten Position; und
- Einbringen einer Positioniereinrichtung in die Faserlage an einer vorbestimmten.
Stelle der Faserstruktur, wobei die Positioniereinrichtung in Einbringrichtung die Fa- serstruktur von einer ersten Seite zu einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite der Faserstruktur durchdringt.
Beim Ausrichten der Faserlage in mindestens einer vorbestimmten Position wird der Kraft- fluss im späteren Bauteil berücksichtigt, so dass die Faserlage belastungsgerecht ausgerich- tet wird. Die Auswahl der vorbestimmten Stelle, an der die Positioniereinrichtung in die Fa- serstruktur eingebracht wird, hängt wesentlich von der späteren Greifbarkeit des Bauteils ab, d. h. von der Möglichkeit eines Handling-Roboters das spätere Bauteil zu erfassen. Durch Einbringen einer oder mehrerer Positioniereinrichtungen bereits bei der Herstellung der Fa- serstruktur, wird in einem sehr frühen Stadium der textilen Prozesskette eine Möglichkeit geschaffen, eine durchgängige Positioniergenauigkeit zu erreichen, die auch bei den nach- folgenden Prozessschritten beibehalten werden kann. Ganz im Sinne einer Funktionsintegra- tion, bietet das Einbringen der Positioniereinrichtung in diesem frühen Stadium auch den Vorteil, dass die einzelnen Lagen zueinander fixiert werden. Die Faserstruktur kann dabei eine einzelne Faserlage aufweisen oder aus mehreren Faser- lagen ausgebildet sein, wobei beim Einbringen der Positioniereinrichtung jede Faserlage, die an dieser Stelle vorhanden ist, durch die Positioniereinrichtung durchstoßen wird.
Weiterhin können beim Einbringen der Positioniereinrichtung die Fasern in der Faserstruktur durch die Positioniereinrichtung verdrängt werden. Bevorzugt werden die Fasern im We- sentlichen in einer Ebene senkrecht zur Einbringrichtung der Positioniereinrichtung ver- drängt. Dies bietet den Vorteil, dass die Fasern in den Faserlagen nicht durchtrennt werden, sondern nur zur Seite verdrängt werden, so dass die Festigkeit des späteren Bauteils nicht oder nur geringfügig beeinflusst wird.
Die Positioniereinrichtung ist von einer derartigen äußeren Gestalt, dass sich in Einbringrich- tung von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende die Positioniereinrichtung hin verjüngt und beim Einbringen in die Faserstruktur zuerst mit dem zweiten, d. h. verjüngten Ende, in die Faserstruktur eindringt.
Diese verjüngende Form ist besonders vorteilhaft zur Vermeidung von Faserbrüchen in den Faserlagen. Weiterhin kann nach dem Einbringen der Positioniereinrichtung in die Faserstruktur das sich verjüngende Ende der Positioniereinrichtung auf der zweiten Seite aus der Faserstruktur herausragen und zu einem Bund umgeformt werden. Dadurch kann eine Fixierung der Fa- serlagen in Einbringrichtung erzielt werden. Somit sind die Faserlagen nicht nur in Einbring- richtung, sondern auch in Richtungen, die im Wesentlichen senkrecht dazu stehen, gegen ein ungewolltes Verschieben oder Verrutschen gesichert.
Zusätzlich kann auf das sich verjüngende Ende, welches auf der zweiten Seite der Fa- serstruktur herausragt, ein Ring aufgeschoben werden, bevor das sich verjüngende Ende zu einem Bund umgeformt wird. Dies bietet den Vorteil, dass auch bei einer geringen Ausbil- dung des Bundes eine großflächige Klemmung über den Ring realisierbar ist.
Darüber hinaus kann die Positioniereinrichtung an ihrem sich verjüngenden Ende eine Fa- serverdrängungseinrichtung aufweisen, die nach dem vollständigen Einbringen der Positio- niereinrichtung in die Faserstruktur auf einer in Eindringrichtung abgelegenen Seite der Faserstruktur von der Positioniereinrichtung entfernt wird. Die Faserverdrängungseinrich- tung fungiert dabei als Einbringdorn und unterstützt zusätzlich die schädigungsfreie Ver- drängung der Fasern. Die Positioniereinheit kann auch nach dem Verdrängen der Fasern durch einen Spreiz-
/Fügedorn eingebracht werden und z.B. durch anschließendem Verspressen mit den umlie- genden Fasern in Form gebracht werden. Dadurch ist keine verjüngende Form der Positio- niereinheit notwendig, da der Dorn diese Funktion übernimmt. Bei manchen Prozessen zur textilen Halbzeugfertigung wird bereits eine Matrixkomponente oder ein Binder eingebracht, die durch gezieltes (lokales) Aufschmelzen oder Aushärten zu einem Positionierelement umgeformt oder in dieses Eingebettet werden können.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faser- verstärkten Kunststoffbauteils, mit den Schritten:
Erzeugen einer Faserstruktur mit einem Verfahren der im Vorhergehenden beschrie- benen Art; Beharzen der Faserstruktur; und
Beaufschlagen der beharzten Faserstruktur mit Druck und/oder Temperatur. Durch die Vor-Fixierung der Faserlagen bereits bei der Herstellung der Faserstruktur, wird si- chergestellt, dass die Fasern der einzelnen Faserlagen während des Herstellungspro- zesses des faserverstärkten Bauteils nicht unerwünscht in ihrer Position verrutschen, sondern durch die Positioniereinrichtung idealerweise zusammengehalten werden.
Erfindungsgemäß wird somit die Faserstruktur außerhalb eines Werkzeugs zur Herstellung des Bauteils erzeugt und danach erst in das Werkzeug eingelegt. Dieses Werkzeug umfasst Eingriffselemente wie beispielsweise Positionsstifte oder entsprechende Ausnehmungen, die formschlüssig mit den Positioniereinrichtungen in Eingriff gebracht werden können. Vorteil- hafterweise werden dann die Positioniereinrichtungen zweckgemäß verwendet, um die vor- konfektionierte Faserstruktur positions-, orts- und/oder lagegenau im Werkzeug auszurich- ten.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens umschließt die Matrix die Positioniereinrichtung, so dass durch Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur eine formschlüssige Verbindung zwischen der Positioniereinrichtung und der Harzmatrix ent- steht.
Alternativ dazu können gemäß einer zweiten Ausführungsform die Positioniereinrichtung und die Harzmatrix aus dem gleichen Material ausgebildet sein, so dass durch Beaufschla- gen mit Druck und/oder Temperatur eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Positio- niereinrichtung und der Harzmatrix erzeugt wird. Weiterhin kann das faserverstärkte Bauteil im Nasspressverfahren, im Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM) oder in einem ande- ren Faserverbundherstellverfahren hergestellt werden.
Die Verstärkungsfasern können organische oder anorganische Verstärkungsfasern sein.
Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Kohlenstofffasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, auch CFK (Carbon- faserverstärkter Kunststoff; englisch„Carbon- Fiber-Reinforced Plastic“, CFRP) genannt.
Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein CFK- Bauteil. Die Verstärkungsfasern können bei- spielsweise auch Glasfasern sein. Diese bilden mit der Kunststoffmatrix einen glasfaserver- stärkten Kunststoff, auch GFK genannt. Das zugehörige FVK-Bauteil ist dann ein GFK- Bauteil. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und die Verstärkungsfasern kön- nen z.B. auch Aramidfasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, PMMA- Fasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, Stahl-Fasern, Recyc- lingfasern und/oder Naturfasern sein.
Das Material der Kunststoffmatrix mag insbesondere ein oder mehrere thermoplastische Kunststoffe (Thermoplaste) und/oder duroplastische Kunststoffe (Duroplaste) aufweisen Faserverstärkte Kunststoffe mit einer thermoplastischen Matrix weisen den Vorteil auf, dass sie sich nachträglich umformen oder verschweißen lassen. Als thermoplastische Kunststoffe eignen sich beispielsweise: Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysul- fon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethen (PTFE). Faserverstärkte Kunst- stoffe mit einer duroplastischen Matrix lassen sich nach dem Aushärten bzw. dem Vernetzen der Matrix nicht mehr umformen.
Sie weisen vorteilhafterweise einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Dies gilt beson- ders für heißhärtende Systeme, die unter hohen Temperaturen ausgehärtet werden. Faser- verstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix weisen meist die höchsten Festigkeiten auf. Als duroplastische Kunststoffe bzw. Matrix können z.B. folgende Harze zur Anwendung kommen: Epoxidharz (EP), ungesättigtes Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol- Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Aminoharze, Melaminharz (MF/MP) und/oder Harnstoffharz (UF). Strukturbauteile von Fahrzeugen im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Längsträger, Querträger, A-, B-, C-, D-Säulen, Schweller, Dachseitenrahmen, Dachspriegel usw.
Im Folgenden sollen die Vorteile der Erfindung nochmals kurz zusammengefasst wiederge- geben werden. Die Einbringung von Positioniereinrichtungen direkt im textilen Prozess er- laubt eine durchgängige Positioniergenauigkeit der Bauteile innerhalb der gesamten Pro- zesskette, da man in Kombination mit dem Fügen und Fixieren eine dauerhafte mechani- sche Positionierung und ggf. auch eine Hilfe für eine mögliche automatisierbare Umstape- lung der Lagenpakete mittels Greifer erhält. Das hiermit beschriebene Verfahren eignet sich generell für viele verschiedene Textilpro- zesse, bei denen eine durchgängige Positionierung der Halbzeuge und Bauteile gewünscht ist.
Die Positioniereinrichtungen erleichtern das automatisierte Greifen der textilen Bauteile, die beispielsweise im Anschluss der Faserlagenherstellung beim Pre-Foamprozess vorteilhaft sind. Darüber hinaus wird durch die Positioniereinrichtung direkt im späteren Bauteilbereich der Pre-Foamprozess dahingehend verbessert, dass die Faserverschiebung im Bereich zwischen den Positionierhilfen verringert wird.
Bei der Herstellung des Pre-Foams bzw. bei der Herstellung des faserverstärkten Bauteils gewährleisten die Positioniereinrichtungen, dass das Bauteil immer in derselben Position im Werkzeug aufgenommen wird. Dies bietet beispielsweise den Vorteil, dass der Beschnitt des Pre-Foams relativ endkonturnah am späteren Bauteilrand erfolgen kann, wodurch sich der Harzverbrauch und der anfallende Bauteilbeschnitt reduzieren. Diese verbesserte Re- produzierbarkeit bezüglich der Positionierung des Lagenpakets bzw. Pre-Foams verringert auch die Fehlereinflussgrößen hinsichtlich unterschiedlicher Faserkonsolidierung, Falten- wurf und verbessert den Infiltrationsprozess beim Einbringen des Matrixharzes in die Fa- serstruktur.
Indem die Positioniereinrichtungen mittels eines Doms, eines Stiftes oder in einer dafür vorgesehenen Ausnehmung im RTM-Werkzeug aufgenommen werden, können die Posi- tioniereinrichtungen auch für weitere Prozesse, wie z. B. Positionieren im Beschnittwerk- zeug, weiter Verwendung finden. Auch für einen anschließenden Fügeprozess, in dem mehrere faserverstärkte Bauteile miteinander verbunden werden, können diese Positionie- reinrichtungen dazu dienen, eine definierte Distanz, Ausrichtung oder Position zum Nach- barbauteil zu realisieren und somit beispielsweise einen definierten Klebespalt einzustel- len. Durch die Einbringung am Anfang der Prozesskette und durch geeignete Wahl der Form der Positioniereinrichtung, beispielsweise mit einem Mittelloch, wird eine Möglichkeit bereitgestellt, das Bauteildurchbrüche ohne Laminatschädigungen hergestellt werden und diese bei einer Nutzung als Verbindungsstelle ohne zusätzlichen Aufwand durch Bohren oder Fräsen verwendbar sind. Dadurch wird auch die Delaminationsgefahr reduziert. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zei- gen in vereinfachter schematischer Darstellung:
Fig. 1 : eine Faserstruktur vor Einbringung der Positioniereinrichtung in die Faserstruktur;
Fig. 2: eine Faserstruktur mit eingebrachter Positioniereinrichtung;
Fig. 3: eine in die Faserstruktur eingebrachte Positioniereinrichtung mit abgenommener Faserverdrängungseinrichtung und aufgesetztem Ring;
Fig. 4: ein eingebrachtes Positionierelement mit umgeformtem oberem Bund; und
Fig. 5 eine Prozessbeschreibung anhand eines Beispielpositionierelementes.
Fig. 1 zeigt eine Faserstruktur 20, die aus mehreren Faserlagen 21 ausgebildet ist. Entge- gen der Darstellung können zwischen den einzelnen Faserlagen 21 auch Abstandshalterla- gen ausgebildet sein. Die Faserlage 20 weist eine erste Seite A auf und eine zweite Seite B. Wie in Fig. 1 dargestellt wird eine Positioniereinrichtung 10 in Richtung E von der ersten Sei- te A zur zweiten Seite B durch die Faserstruktur 20 gepresst. Die Positioniereinrichtung 10 umfasst ein Basisteil 12, das beispielhaft und nicht einschränkend als Hohlniet ausgebildet ist. Dieser Hohlniet 12 weist ein erstes, figürlich unteres Ende auf, an dem sich ein umlau- fender Bund 15 befindet. An diesem, in Axialrichtung des Hohlniets 12 gegenüberliegenden Ende, ist eine Faserverdrängungseinrichtung 1 1 vorgesehen. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, verjüngt sich der Hohlniet im Verlauf von seinem ersten Ende mit daran angeordnetem Bund 15 zu seinem zweiten Ende mit daran angeordneter Faserverdrängungseinrichtung 1 1 .
Fig. 2 zeigt die Endposition der Positioniereinrichtung 10 in der Faserstruktur. Dabei durch- dringt der Basiskörper 12 bzw. Hohlniet alle Faserlagen 21 der Faserstruktur 20. In ihrer Endposition liegt die Positioniereinrichtung 10 mit dem Bund 15 auf der ersten Oberfläche A der Faserstruktur 20 auf.
Das zweite Ende des Hohlniets 12 mit daran angeordneter Faserverdrängungseinrichtung 1 1 ragt auf der zweiten Seite B der Faserstruktur 20 heraus.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Faserverdrängungseinrichtung 11 abgetrennt wird. Diese ist beispielhaft als Einbringdorn mit spitz zulaufender Geometrie dargestellt. Selbstverständ- lich kann sie auch als eine abgerundete Spitzkappe ausgebildet sein. Nach oder vor dem Entfernen der Faserverdrängungseinrichtung 1 1 wird ein Ring 14 auf das sich verjüngende Ende aufgeschoben, bis dieser Ring auf der zweiten Seite der Faserstruktur 20 aufliegt.
In Fig. 4 ist gezeigt, wie mithilfe eines Fügedorns 30 der obere Bereich des sich verjüngen- den Endes der Positioniereinrichtung 10 zu einem zweiten Bund 13 umgeformt wird. Der zweite Bund 13 wird auf den Ring 14 aufgepresst. Durch diese Verpressung ist die Positio- niereinrichtung 10 gegen Verrutschen in der Faserstruktur 20 in Einbringrichtung E gesi- chert.
In Fig. 5 ist eine beispielhafte Prozessbeschreibung anhand eines Beispielpositionierele- ments in den Schritten a - d dargestellt. Hier ist in den einzelnen Schrittdarstellungen (a - d) jeweils die Faserstruktur 20, welche sich aus den einzelnen Faserlagen 21 zusammen setzt und somit ein Textillagenpaket bildet dargestellt.
In der Darstellung des Schritts a ist die Einbringung der Positioniereinrichtung 10, welche hier als Ösenhülse ausgestaltet ist gezeigt. Das Einbringen kann beispielsweise durch Ein- stechen realisiert werden. Zum besseren Durchdringen der Faserlagen 21 bzw. Einbringen der Ösenhülse ist die Faserverdrängungseinrichtung 11 als eine abgerundete Spitzkappe 1 1 ausgebildet.
Schritt b zeigt die Abnahme der Faserverdrängungseinrichtung 11 sowie die Aufsetzung des Gegenrings 14 auf die Faserstruktur 20, ähnlich wie dies in Fig. 3 dargestellt und beschrie- ben wurde. Schritt c zeigt die beginnende Umformung der Ösenhülse bzw. der Positioniereinrichtung 10 durch das Einbringen eines Fügedorns in die Öffnung der Ösenhülse. Schritt d zeigt die fertig verpresste Öse 10. Durch die Verpressung ist die Öse 10 gegen Verrutschen im Lagenpaket bzw. Faserstruktur 20 gesichert. Die Öse 10 wurde dabei so verpresst, dass diese an den aufgesetzten Gegenring 14 anliegt.
Wie in den Figuren gezeigt, können die Positioniereinrichtungen 10 beispielsweise als Hohlniet oder als Ösen ausgebildet sein. Als Materialien eignen sich hier insbesondere Metalle oder Kunststoffe. Insbesondere bei der Verwendung von Positioniereinrichtungen 10 aus Kunststoffen kann durch geeignete Wahl des Kunststoffmaterials und durch geeig- nete Wahl des Matrixmaterials des späteren Faserverbundbauteils eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Positioniereinrichtung und dem Harzmaterial realisiert werden. Bei noch nicht fixierten Faserlagen 21 der Faserstruktur 20 ist es möglichst ratsam, die
Positioniereinrichtungen 10 von beiden Seiten der Faserstruktur einzubringen. Dies bedeu- tet, dass manche Positioniereinrichtungen 10 von der ersten Seite A zur zweiten Seite B und andere von der zweiten Seite B zur ersten Seite A in die Faserstruktur 20 eingebracht werden.
Abweichend von der Darstellung in den Figuren kann eine beidseitige Klemmung einer Posi- tioniereinrichtung auch ohne den Gegenring 14 erzeugt wer- den. Bei Verwendung von Posi- tioniereinrichtungen 10 aus Metall erfolgt die Einbringung und Fixierung z. B. durch Eindrü- cken und Umformen des Nietes. Selbstverständlich ist es auch denkbar, Positioniereinrich- tungen 10 aus Kunststoff zu verwenden, deren Umformung auf der sich verjüngenden Seite durch Anschmelzen, beispielsweise mittels Ultraschall, und Umformung mittels eines ent- sprechend ausgebildeten Doms erfolgt. In manchen Ausführungsformen kann es auch aus- reichen, dass eine einseitige Klemmung mit einem einzelnen Bund 15 erfolgt und auf der sich verjüngenden Seite keine Umformung zu einem zweiten Bund 13 durchgeführt wird. Bei entsprechender Auslegung können die Positioniereinrichtungen 10 die umliegenden Fasern klemmen und sich somit selbst gegen ein Verrutschen im Lagenpaket bzw. der Faserstruktur 20 sichern.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur (20), mit den Schritten
- Ausrichten mindestens einer Faserlage (21 ) in einer vorbestimmten Positi- on und
Einbringen einer Positioniereinrichtung (10) in die Faserlage (21 ) an einer vor- bestimmten Stelle der Faserstruktur (20), wobei die Positioniereinrichtung in Einbringrichtung (E) die Faserstruktur (20) von einer ersten Seite (A) zu einer der ersten Seite (A) gegenüberliegenden zweiten Seite (B) durchdringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
die Faserstruktur (20) mehrere Faserlagen (21 ) umfasst, die beim Einbringen der Positioniereinrichtung (10) durchstoßen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einbrin gen der Positioniereinrichtung (10) die Fasern in der Faserstruktur (20) durch die Positioniereinrichtung verdrängt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Fasern im Wesentlichen senkrecht zur Einbringrichtung (E) der Positionier- einrichtung (10) verdrängt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Positioniereinrichtung (12) sich in Einbringrichtung (E) von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende hin verjüngt und zuerst mit den zweiten Ende in die Fa- serstruktur (20) eindringt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Einbringen der Positioniereinrichtung (10) in die Faserstruktur (20), das sich verjüngende Ende der Positioniereinrichtung (10) auf der zweiten Seite (B) aus der Faserstruktur (20) herausragt und zu einem Bund (13) umgeformt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
auf das sich verjüngende Ende ein Ring (14) aufgeschoben wird und danach zu ei- nem Bund (13) umgeformt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Positioniereinrichtung (10) an ihrem verjüngten Ende eine Faserverdrängungsein- richtung (11 ) aufweist und dass nach dem die Positioniereinrichtung (10) vollständig in die Faserstruktur (10) eingedrungen ist, die Faserverdrängungseinrichtung (1 1 ) von der Positioniereinrichtung (10) entfernt wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, mit den
Schritten:
- Erzeugen einer Faserstruktur (20) mit einem Verfahren gemäß der vorherge- henden Ansprüche,
- Beharzen der Faserstruktur (20),
- Beaufschlagen der beharzten Faserstruktur (20) mit Druck und/oder Tem- peratur.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Faserstruktur (20) nach deren Erzeugung in ein Werkzeug eingelegt wird, wobei die Positioniereinrichtung (10) mit einem werkzeugseitigen Positionsstift in Eingriff gebracht wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Harzmatrix die Positioniereinrichtung (10) umschließt und durch Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur eine formschlüssige Verbindung zwischen der Positionierein- richtung (10) und der Harzmatrix erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass
die Positioniereinrichtung (10) und die Harzmatrix aus dem gleichen Material ausgebildet sind und durch Beaufschlagen mit Druck und/oder Temperatur eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Positioniereinrichtung (10) und Harzmatrix erzeugt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteile im Nasspressverfahren, im Resin-Transfer-Molding-Verfahren oder in einem anderen Faserverbundherstellverfahren hergestellt wird.
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