DE102013010304A1 - Method for producing a fiber-reinforced plastic component - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (32), bei welchem zumindest ein Faservorformling (16) mittels einer Heizvorrichtung (26) beheizt wird, wobei der Faservorformling (16) mittels einer in diesen integrierte Heizeivorrichtung (26) beheizt wird.The invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic component (32) in which at least one fiber preform (16) is heated by means of a heating device (26), the fiber preform (16) being heated by means of a heating device (26) integrated therein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic component according to the preamble of patent claim 1.

Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile, insbesondere faserverstärkter Strukturbauteile, kommen Verfahren zum Einsatz, in denen zunächst ein mit einem Binder versehenes Faserhalbzeug in einem Preform-Werkzeug zu einem Faservorformling (Preform) geformt wird; durch Wärmeeinwirkung im Preform-Werkzeug wird dabei der Binder aktiviert und die dreidimensionalen Form des Preforms fixiert. Hierbei wird beispielsweise die Faserorientierung des Faservorformlings festgelegt. Ferner können durch die Fixierung auch mehrere Faservorformlinge (Preforms) in einem kompaktierten Zustand fixiert werden. Das Preform wird anschließend mit Hilfe eines Infusionsverfahrens (beispielsweise resin transfer moulding (RTM) oder vacuum assisted resin infusion (VARI)) mit einem Harz infiltriert, das dann durch Wärmeeinwirkung ausgehärtet wird. Die Beheizung des Faserhalbzeugs bzw. des Faservorformlings erfolgt üblicherweise mittels einer Heizvorrichtung, die im Preform-Werkzeug bzw. im Infusionswerkzeug integriert ist. Die Verwendung derartiger im Werkzeug integrierter Heizvorrichtungen erfordert jedoch einen komplexen Aufbau des Werkzeugs. Weiterhin führt die Beheizung/Abkühlung des Werkzeugs zu langen Zykluszeiten und daher zu hohen Kosten des Herstellungsverfahrens.In the production of fiber-reinforced plastic components, in particular fiber-reinforced structural components, methods are used in which initially provided with a binder semifinished fiber is formed in a preform tool to a fiber preform (preform); By heat in the preform tool while the binder is activated and fixed the three-dimensional shape of the preform. In this case, for example, the fiber orientation of the fiber preform is determined. Furthermore, by fixing several fiber preforms (preforms) can be fixed in a compacted state. The preform is then infiltrated with a resin using an infusion process (eg, resin transfer molding (RTM) or vacuum assisted resin infusion (VARI)), which is then cured by exposure to heat. The heating of the semifinished fiber product or of the fiber preform usually takes place by means of a heating device which is integrated in the preforming tool or in the infusion tool. However, the use of such integrated in the tool heaters requires a complex structure of the tool. Furthermore, the heating / cooling of the tool leads to long cycle times and therefore to high costs of the manufacturing process.

Die DE 10 2008 043 527 A1 offenbart ein Heizelement, welches in ein Umformwerkzeug eingelegt wird und dort zur Beheizung eines in dem Werkzeug um- bzw. auszuformenden Bauteil verwendet werden kann. Ein solches Heizelement eignet sich jedoch nicht für den Einsatz in einem Infusionswerkzeug.The DE 10 2008 043 527 A1 discloses a heating element which is inserted into a forming tool and can be used there for heating a component to be formed or shaped in the tool. However, such a heating element is not suitable for use in an infusion tool.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Beheizung des Faserhalbzeugs bzw. des Faservorformlings auf besonders kostengünstige Weise erfolgt.It is therefore an object of the present invention to develop a method for producing a fiber-reinforced plastic component of the type mentioned in such a way that the heating of the semifinished fiber product or of the fiber preform takes place in a particularly cost-effective manner.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welchem der Faservorformling auf besonders kostengünstige Weise beheizbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die zur Beheizung des Faserhalbzeugs bzw. des Faservorformlings vorgesehene Heizvorrichtung einen Teil des Faservorformlings bildet. Anstelle einer vom Faservorformling externen und beispielsweise in ein Werkzeug zum Herstellen des faserverstärkten Kunststoffbauteils integrierte Heizvorrichtung wird erfindungsgemäß die in den Faservorformling integrierte Heizvorrichtung verwendet. Dadurch können besonders kostengünstige, isotherme Werkzeuge verwendet werden, da die zur Aktivierung des Binders bzw. des Harzes benötigte Zusatzwärme durch die im Vorformling integrierte Heizvorrichtung aufgebracht wird. Mit anderen Worten ist eine variotherme Temperierung der Werkzeuge nicht vorgesehen und nicht erforderlich, wodurch sich auch besonders geringe Zykluszeiten zum Herstellen des faserverstärkten Kunststoffbauteils realisieren lassen.In order to provide a method specified in the preamble of claim 1, in which the fiber preform is heated in a particularly cost-effective manner, it is inventively provided that the heating device provided for heating the semifinished fiber or the fiber preform forms a part of the fiber preform. Instead of an external to the fiber preform and, for example, integrated in a tool for producing the fiber-reinforced plastic component heating device according to the invention integrated in the fiber preform heating device is used. As a result, particularly inexpensive, isothermal tools can be used, since the additional heat required for activating the binder or the resin is applied by the heating device integrated in the preform. In other words, a variothermal temperature control of the tools is not provided and is not required, which also makes it possible to realize particularly short cycle times for producing the fiber-reinforced plastic component.

Mit Hilfe der bauteilintegrierten Heizvorrichtung kann durch das Beheizen des Faservorformlings ein Binder zum Fixieren des Faservorformlings aktiviert werden. Diese Binderaktivierung kann insbesondere im Rahmen eines sogenannten Preformings (Vorformens) des Faservorformlings erfolgen, um den Faservorformling nach seiner Um- bzw. Vorformung in seiner entsprechenden Form zu halten. Ferner ist es möglich, durch das Beheizen einen Matrixwerkstoff, insbesondere ein Harz, mit welchem der Faservorformling infiltriert ist, auszuhärten. Diese Harz- bzw. Matrixaushärtung kann nach einer Infusion des Faservorformlings mit dem Matrixwerkstoff erfolgen. Schließlich ist es möglich, durch die im Bauteil integrierte Heizvorrichtung einen Klebstoff, der zum Fügen des faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einem weiteren Bauelement verwendet wird, zu aktivieren und/oder dessen Aushärtung zu beschleunigen. Die in das Faserhalbzeug bzw. Faserpreform integrierte Heizvorrichtung kann also sowohl während der Bauteilherstellung (Binderaktivierung und/oder Harzaushärtung) als auch während eines späteren Fügeverfahrens zur Verbindung des Bauteils mit weiteren Bauteilen (zur Kleberaushärtung) verwendet werden. Separate Heizvorrichtungen für jeden einzelnen der Prozessschritte sind somit nicht erforderlich.By means of the component-integrated heating device, a binder for fixing the fiber preform can be activated by heating the fiber preform. This binder activation can be carried out in particular in the context of a so-called preforming (preforming) of the fiber preform in order to keep the fiber preform in its corresponding form after it has been formed or preformed. Further, by heating, it is possible to cure a matrix material, in particular a resin, with which the fiber preform is infiltrated. This resin or matrix curing can be done after infusing the fiber preform with the matrix material. Finally, it is possible to activate an adhesive which is used for joining the fiber-reinforced plastic component with a further component by means of the heating device integrated in the component and / or to accelerate its hardening. The heating device integrated into the semifinished fiber product or fiber preform can thus be used both during component production (binder activation and / or resin curing) and during a subsequent joining process for connecting the component to further components (for adhesive curing). Separate heaters for each of the process steps are therefore not required.

Auch das fertig hergestellte faserverstärkte Kunststoffbauteil ist mittels der integrierten Heizvorrichtung beheizbar und kann somit weitere Funktionalitäten übernehmen. So ist es beispielsweise möglich, die in das faserverstärkte Kunststoffbauteil integrierte Heizvorrichtung in einem an einem Fahrzeug montierten Zustand des faserverstärkten Kunststoffbauteils als Fahrzeugheizung zu verwenden und bei niedrigen Außentemperaturen den Innenraum des Fahrzeug zu beheizen. Es ist also nicht nur möglich, die Heizvorrichtung im Zuge des Herstellungsverfahrens sondern auch während des Betriebs des Fahrzeugs als Heizung zu verwenden.The finished fiber-reinforced plastic component can also be heated by means of the integrated heating device and can thus take on additional functionalities. For example, it is possible to use the heating device integrated in the fiber-reinforced plastic component in a vehicle-mounted state of the fiber-reinforced plastic component as a vehicle heater and to heat the interior of the vehicle at low outside temperatures. It is thus not only possible to use the heating device as heating in the course of the manufacturing process but also during operation of the vehicle.

Das Verfahren eignet sich besonders gut für die Herstellung faserverstärkter Bauteile mit Hilfe eines Harz-Infusionsverfahrens, beispielsweise resin transfer moulding (RTM) oder vacuum assisted resin infusion (VARI), insbesondere für faserverstärkte Bauteile, in denen der Faservorformling aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt ist. Üblicherweise erfolgt bei einem solchen Harz-Infusionsverfahren eine Temperierung des Faservorformlings in massiven Metallwerkzeugen. Diese kostenintensive Temperierung kann nun durch die kostengünstige Temperierung des Faservorformlings mittels der in diesen integrierten Heizvorrichtung ersetzt werden. The process is particularly well suited for the production of fiber reinforced components by means of a resin infusion process, for example resin transfer molding (RTM) or vacuum assisted resin infusion (VARI), in particular for fiber reinforced components in which the fiber preform is made of a carbon fiber reinforced plastic (CFRP). is made. Typically, in such a resin infusion process, a tempering of the fiber preform takes place in solid metal tools. This cost-intensive temperature control can now be replaced by the cost-effective temperature control of the fiber preform by means of the built-in heating device.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments and from the drawings; these show in:

1 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zum Durchführen eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei welchem zum Beheizen eines Faservorformlings eine in den Faservorformling integrierte Heizvorrichtung verwendet wird; 1 a schematic representation of a tool for performing a method for producing a fiber-reinforced plastic component, wherein for heating a fiber preform, a built-in the fiber preform heating device is used;

2 eine schematische Explosionsdarstellung des Faservorformlings mit der in diesen integrierten Heizvorrichtung; 2 a schematic exploded view of the fiber preform with the integrated in this heating device;

3 eine schematische Darstellung einer RTM-Prozesskette zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils für einen Kraftwagen; 3 a schematic representation of an RTM process chain for producing a fiber-reinforced plastic component for a motor vehicle;

4 eine schematische Explosionsansicht einer weiteren Ausführungsform des Faservorformlings; 4 a schematic exploded view of another embodiment of the fiber preform;

5 eine schematische Perspektivansicht des fertig hergestellten faserverstärkten Kunststoffbauteils; und 5 a schematic perspective view of the finished fiber-reinforced plastic component; and

6 eine schematische Darstellung eines weiteren Werkzeugs zum Durchführen des Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei welchem zum Beheizen des Faservorformlings eine in den Faservorformling integrierte Heizvorrichtung verwendet wird; In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. 6 a schematic representation of another tool for carrying out the method according to another embodiment, wherein for heating the fiber preform, a built-in the fiber preform heating device is used; In the figures, identical or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Werkzeug zum Durchführen eines im Weiteren noch näher erläuterten Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Im Rahmen des gesamten Herstellungsverfahrens wird dabei ein Spritzpressverfahren durchgeführt, welches üblicherweise auch als RTM-Verfahren bezeichnet wird. Zum Durchführen dieses Verfahrens ist ein Werkzeug 10 vorgesehen, welches zwei relativ zueinander bewegbare Stammformen 12, 14 als Werkzeugteile umfasst. 1 shows a schematic representation of a tool for performing a further explained in more detail below method for producing a fiber-reinforced plastic component for a motor vehicle, in particular a passenger car. As part of the entire manufacturing process, a transfer molding process is carried out, which is also commonly referred to as RTM process. To perform this procedure is a tool 10 provided, which two relatively movable stem shapes 12 . 14 includes as tool parts.

Bei einem ersten, links in 1 dargestellten Schritt S1 des Verfahrens wird ein aus mehreren Einzellagen bestehender Faservorformling 16 zwischen den auseinander gefahrenen Stammformen 12, 14 angeordnet und in das Werkzeug 10 eingelegt. Die Stammformen 12, 14 können dabei beheizt oder kalt sein. In einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird – wie in 1 durch einen Richtungspfeil 18 dargestellt ist – in den Faservorformling 16, welcher üblicherweise auch als Preform bezeichnet wird, Harz als Matrixwerkstoff injiziert. Mit Abschluss dieser Injektion wird der Faservorformling 16 beheizt, wodurch das Harz ausgehärtet wird.At a first, left in 1 Step S1 of the method shown becomes a fiber preform consisting of several individual layers 16 between the divergent parent forms 12 . 14 arranged and in the tool 10 inserted. The parent forms 12 . 14 can be heated or cold. In a second step S2 of the method - as in 1 by a directional arrow 18 is shown - in the fiber preform 16 , which is also commonly referred to as a preform, injected resin as a matrix material. Upon completion of this injection, the fiber preform becomes 16 heated, whereby the resin is cured.

Aus 2 ist zudem der Aufbau des Faservorformlings 16 erkennbar. Dieser umfasst eine erste Faserschicht 20, vorliegend aus Kohlefasern, sowie eine zweite Faserschicht 22, vorliegend ebenfalls aus Kohlefasern, welche in gegenseitiger Überdeckung angeordnet sind. Zwischen den Faserschichten 20, 22 ist eine Heizschicht 24 der im Ganzen mit 26 bezeichneten und in den Faservorformling 16 integrierten Heizvorrichtung angeordnet. Zwischen der Heizschicht 24 und den jeweiligen Faserschichten 20, 22 ist eine jeweilige Isolationsschicht 28, 30 vorgesehen, die Heizschicht 24 gegenüber den (elektrisch leitfähigen) Carbonfaserschichten 20, 22 elektrisch isolieren.Out 2 is also the structure of the fiber preform 16 recognizable. This comprises a first fiber layer 20 , in this case made of carbon fibers, and a second fiber layer 22 , here also made of carbon fibers, which are arranged in mutual overlap. Between the fiber layers 20 . 22 is a heating layer 24 the whole with 26 designated and in the fiber preform 16 integrated heating device arranged. Between the heating layer 24 and the respective fiber layers 20 . 22 is a respective insulation layer 28 . 30 provided the heating layer 24 opposite the (electrically conductive) carbon fiber layers 20 . 22 electrically isolate.

Beim ersten Schritt S1 und bei der Injektion des Harzes S2 wird der Faservorformling 16 nicht beheizt. Während der Aushärtung des in den Faservorformling 16 injizierten Harzes wird die in den Faservorformling 16 integrierte Heizvorrichtung 26 verwendet. Durch das Beheizen des Faservorformlings 16 mittels der Heizvorrichtung 26 von innen heraus können eine variotherme Temperierung des Spritzpresswerkzeugs 10 sowie eine Beheizung des Faservorformlings 16 von außen entfallen. In der Folge weist das Spritzpresswerkzeug 10 nur sehr geringe Kosten auf, so dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil sehr kostengünstig herstellbar ist.At the first step S1 and at the injection of the resin S2, the fiber preform becomes 16 not heated. During the curing of the fiber preform 16 Injected resin is used in the fiber preform 16 integrated heating device 26 used. By heating the fiber preform 16 by means of the heater 26 from the inside, a variothermal tempering of the transfer molding tool 10 and a heating of the fiber preform 16 omitted from the outside. Subsequently, the transfer molding tool 10 only very low cost, so that the fiber-reinforced plastic component is very inexpensive to produce.

Bei den Faserschichten 20, 22 handelt es sich beispielsweise um trockene Faserhalbzeuge, welche beim zweiten Schritt S2 mit dem Harz versehen werden. Die integrierte Heizvorrichtung 26 kann auch für andere Zwecke verwendet werden, die im Folgenden anhand von 3 beschrieben werden.At the fiber layers 20 . 22 For example, these are dry semifinished fiber products, which are provided with the resin in the second step S2. The integrated heater 26 can also be used for other purposes, as described below 3 to be discribed.

Anhand von 3 ist eine RTM-Prozesskette veranschaulicht, in deren Zuge das in 3 mit 32 bezeichnete, faserverstärkte Kunststoffbauteil hergestellt wird. Bei einem ersten Teilschritt TS1 eines ersten Prozessschritts PS1 der RTM-Prozesskette werden textile Halbzeuge hergestellt, welche üblicherweise auch als Faserhalbzeuge bezeichnet werden. Als Faserhalbzeuge werden beispielsweise Gelege oder Gewebe beispielsweise mit einer Faserdichte von 330 g/m2 hergestellt. Bei den Faserhalbzeugen kann es sich auch um ein sogenanntes Rovings handeln. Die textilen Halbzeuge können dabei bidirektional sein. Bei einem zweiten Teilschritt TS2 des ersten Prozessschritts PS1 wird auf das jeweilige Faserhalbzeug ein Binder aufgetragen und an dem jeweiligen Faserhalbzeug fixiert.Based on 3 illustrates an RTM process chain in which the in 3 With 32 designated, fiber reinforced plastic component is produced. In a first sub-step TS1 of a first process step PS1 of the RTM process chain textile semi-finished products are produced, which are commonly referred to as semi-finished fiber products. For example, scrims or fabrics are produced as semi-finished fiber products, for example with a fiber density of 330 g / m 2 . The semifinished fiber can also be a so-called roving. The textile semi-finished products can be bidirectional. In a second sub-step TS2 of the first process step PS1, a binder is applied to the respective semi-finished fiber product and fixed to the respective semi-finished fiber product.

Bei einem zweiten Prozessschritt PS2 erfolgt ein Zuschneiden zur Herstellung zumindest im Wesentlichen identischer Halbzeuge. Bei einem dritten Teilschritt TS3 des zweiten Prozessschrittes PS2 erfolgt eine Multilagen-Zufuhr der bebinderten Halbzeuge in eine Zuschneidemaschine, woraufhin Bei einem vierten Teilschritt TS4 ein Multilagen-Zuschnitt beispielsweise durch einen Hochlagencutter mit einem oszillierenden Messer erfolgt. Daran schließt sich ein fünfter Teilschritt TS5 an, in dessen Zuge beispielsweise ein manuelles Abräumen und Magazinieren der zugeschnittenen Halbzeuge erfolgt.In a second process step PS2, cutting is carried out to produce at least substantially identical semi-finished products. In a third sub-step TS3 of the second process step PS2, a multi-layer supply of the bindery semifinished products takes place in a trimming machine, whereupon in a fourth sub-step TS4 a multilayer trimming takes place, for example, by a high-level cutter with an oscillating knife. This is followed by a fifth substep TS5, in the course of which, for example, a manual clearing and magazineing of the cut semi-finished products takes place.

Im Rahmen eines dritten Prozessschrittes PS3 erfolgt eine automatische Einzellagenzuführung der Halbzeuge in ein Vorformwerkzeug, mittels welchem ein sogenanntes automatisches und segmentiertes Preforming durchgeführt wird. Diese automatische Einzellagenzuführung wird beispielsweise mittels eines Roboters durchgeführt. Das Preforming (Vorformen) erfolgt bei einem vierten Prozessschritt PS4, wobei aus den Faserhalbzeugen Faservorformlinge hergestellt werden. Im Zuge des vierten Prozessschrittes PS4 kann dabei eine Aktivierung des Binders erfolgen, indem der Faservorformling mittels der integrierten Heizvorrichtung 26 direkt, d. h. von innen heraus beheizt wird. Durch diese Binderaktivierung kann der Faservorformling (Preform) fixiert werden, wodurch beispielsweise eine Orientierung der Faserschichten 20, 22 bzw. ihrer Kohlefasern festgelegt wird. Bei einem fünften Prozessschritt PS5 wird der jeweilige Faservorformling zugeschnitten.In the context of a third process step PS3, an automatic single-layer feed of the semi-finished products into a preforming tool takes place, by means of which a so-called automatic and segmented preforming is carried out. This automatic single-layer feeding is performed, for example, by means of a robot. The preforming (preforming) takes place in a fourth process step PS4, wherein fiber preforms are produced from the semifinished fiber products. In the course of the fourth process step PS4, an activation of the binder can take place by the fiber preform by means of the integrated heating device 26 directly, ie heated from the inside out. By this binder activation of the fiber preform (preform) can be fixed, whereby, for example, an orientation of the fiber layers 20 . 22 or their carbon fibers. In a fifth process step PS5, the respective fiber preform is cut to size.

Bei einem sechsten Teilschritt TS6 erfolgt ein automatisches Auswerten beispielsweise mittels eines Roboters, woran sich ein automatischer Zuschnitt des jeweiligen Faservorformlings bei einem siebten Teilschritt TS7 anschließt. Dieser Zuschnitt erfolgt beispielsweise mittels eines Lasers. Bei einem achten Teilschritt TS8 erfolgt eine automatische Zuführung des jeweiligen Faservorformlings zu einem Spritzpresswerkzeug, mittels welchem bei einem sechsten Prozessschritt PS6 ein Spritzpressen des Faservorformlings durchgeführt wird. Im Zuge der bei dem Teilschritt TS8 stattfindenden und beispielsweise mittels eines Roboters durchzuführenden automatischen Zuführung wird der Faservorformling in das Spritzpresswerkzeug eingelegt, so dass beim sechsten Prozessschritt PS6 – wie bereits im Zusammenhang mit 1 erläutert wurde – die Injektion des Harzes in den Faservorformling sowie die Aushärtung des Harzes erfolgt. Bei der Harzinjektion wird beispielsweise eine sogenannte Multiport-Harzinjektion durchgeführt.In a sixth sub-step TS6, an automatic evaluation takes place, for example, by means of a robot, which is followed by automatic cutting of the respective fiber preform in a seventh sub-step TS7. This cutting takes place for example by means of a laser. In an eighth substep TS8, an automatic feed of the respective fiber preform to a transfer molding tool takes place, by means of which a transfer molding of the fiber preform is carried out in a sixth process step PS6. In the course of the automatic feed, which takes place in sub-step TS8 and is to be carried out, for example, by means of a robot, the fiber preform is inserted into the transfer-molding tool, so that in the sixth process step PS6 - as already described in connection with FIG 1 has been explained - the injection of the resin into the fiber preform and the curing of the resin takes place. In the resin injection, for example, a so-called multiport resin injection is performed.

Zum Aushärten des Harzes kann im Rahmen des sechsten Prozessschritts PS6 ebenfalls die integrierte Heizvorrichtung 26 verwendet werden. Mittels der Heizvorrichtung 26 wird der Faservorformling beim sechsten Prozessschritt PS6 direkt beheizt, wodurch das Harz ausgehärtet werden kann. Bei einem siebten Prozessschritt PS7 erfolgt ein automatisches Auswerten des Faservorformlings aus dem Spritzpresswerkzeug sowie eine Werkzeugreinigung.For curing the resin, the integrated heating device can also be used as part of the sixth process step PS6 26 be used. By means of the heater 26 the fiber preform is heated directly in the sixth process step PS6, whereby the resin can be cured. In a seventh process step PS7, an automatic evaluation of the fiber preform from the transfer molding tool and a tool cleaning takes place.

An den siebten Prozessschritt PS7 schließt sich ein achter Prozessschritt PS8 an, bei welchem ein sogenanntes Tempern des jeweiligen Faservorformlings erfolgt. Hierbei wird der jeweilige Faservorformling durch einen Ofen hindurchgeführt, so dass eine Nachhärtung insbesondere des Harzes erfolgen kann.The eighth process step PS8 is followed by the seventh process step PS7, in which a so-called annealing of the respective fiber preform takes place. In this case, the respective fiber preform is passed through an oven, so that a post-curing, in particular of the resin can take place.

Bei einem neunten Prozessschritt PS9 erfolgt schließlich eine Bearbeitung des jeweiligen Faservorformlings. Hierbei wird der Faservorformling beispielsweise einer CNC-Bearbeitung und/oder einem Fräsen und/oder einer Wasserstrahlbearbeitung unterzogen. Im Rahmen der Wasserstrahlbearbeitung kann der Faservorformling beispielsweise zugeschnitten werden. Ergebnis des neunten Prozessschrittes PS9 kann bereits das fertig hergestellte faserverstärkte Kunststoffbauteil 32 sein. Im Rahmen eines zehnten Prozessschrittes PS10 ist jedoch noch ein Fügen des Faservorformlings vorgesehen. Bei einem neunten Teilschritt TS9 erfolgt eine Reinigung und eine Vorbehandlung des Faservorformlings, woran sich bei einem zehnten Teilschritt TS10 ein automatisches Handling anschließt. Schließlich erfolgt bei einem elften Teilschritt TS11 ein automatisches Fügen des Faservorformlings mit einem weiteren Bauelement. Im Rahmen dieses Fügens wird der Faservorformling bzw. das faserverstärkte Kunststoffbauteil 32 beispielsweise mit einem weiteren Bauelement verklebt. Hierbei kann die integrierte Heizvorrichtung 26 zum Aushärten des Klebers verwendet werden. Aus 3 ist es ersichtlich, dass die integrierte Heizvorrichtung 26 grundsätzlich in jedem der Prozessschritte PS1 bis PS10 aktiviert werden kann, um den Faservorformling im Rahmen der Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils 32 zu beheizen.Finally, in a ninth process step PS9, processing of the respective fiber preform takes place. Here, the fiber preform is subjected to, for example, a CNC machining and / or a milling and / or a water jet machining. As part of the water jet processing, the fiber preform can be cut, for example. Result of the ninth process step PS9 can already the finished fiber-reinforced plastic component 32 be. In the context of a tenth process step PS10, however, still a joining of the fiber preform is provided. In a ninth sub-step TS9, a cleaning and a pre-treatment of the fiber preform is carried out, followed by an automatic handling in a tenth sub-step TS10. Finally, in an eleventh substep TS11, an automatic joining of the fiber preform with another component takes place. In the context of this joining, the fiber preform or the fiber-reinforced plastic component 32 glued, for example, with another component. This can be the integrated heater 26 used for curing the adhesive. Out 3 it is apparent that the integrated heater 26 In principle, in each of the process steps PS1 to PS10 can be activated to the fiber preform in the context of the production of the fiber-reinforced plastic component 32 to heat.

Darüber hinaus ist es möglich, die integrierte Heizvorrichtung 26 im am Personenkraftwagen verbauten Zustand des faserverstärkten Kunststoffbauteils 32 als Heizung zu verwenden.In addition, it is possible to use the integrated heater 26 in installed on the passenger car state of the fiber-reinforced plastic component 32 to use as a heater.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Faservorformlings 16 mit den Faserschichten 20, 22 und der dazwischen angeordneten Heizschicht 24. Als die Faserschichten 20, 22 werden vorliegend trockene Faserhalbzeuge verwendet, welche mit einem Harz durchtränkt werden. Das fertig hergestellte faserverstärkte Kunststoffbauteil 32 ist in 5 erkennbar. 4 shows a further embodiment of the fiber preform 16 with the fiber layers 20 . 22 and the interposed heating layer 24 , As the fiber layers 20 . 22 dry semi-finished fiber products are used in the present case, which are impregnated with a resin. The finished fiber-reinforced plastic component 32 is in 5 recognizable.

Die Faserschicht 20 kann eine erste Lage von Kohlefaser mit einer Faserorientierung von 0 Grad/90 Grad sowie zwischen dieser ersten Faserlage und der Heizschicht 24 eine zweite Faserlage aus Kohlefasern mit einer Faserorientierung von ±45 Grad aufweisen. Dementsprechend kann auch die Faserschicht 22 eine dritte, äußere Faserlage aus Kohlefasern mit einer Faserorientierung von 0 Grad/90 Grad sowie eine zwischen der dritten Faserlage und der Heizschicht 24 angeordnete vierte Faserlage aus Kohlefasern mit einer Faserorientierung von ±45 Grad aufweisen. Durch die zuvor geschilderte Binderaktivierung mittels der Heizvorrichtung 26 können diese Faserorientierungen festgelegt (fixiert) werden.The fiber layer 20 may be a first layer of carbon fiber with a fiber orientation of 0 degrees / 90 degrees and between this first fiber layer and the heating layer 24 a second fiber layer of carbon fibers having a fiber orientation of ± 45 degrees. Accordingly, the fiber layer can also 22 a third outer fiber layer of carbon fibers having a fiber orientation of 0 degrees / 90 degrees and one between the third fiber layer and the heating layer 24 arranged fourth fiber layer of carbon fibers having a fiber orientation of ± 45 degrees. By the previously described binder activation by means of the heater 26 These fiber orientations can be fixed (fixed).

6 zeigt in einer schematischen Darstellung ein weiteres Werkzeug zum Durchführen des Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform. Auch hierbei wird ein faserverstärktes Kunststoffbauteil aus wenigstens einem Faservorformling 16 durch ein Spritzpressverfahren durchgeführt. Somit handelt es sich auch bei dem Wekrzeug gemäß 6 um ein Spritzpresswerkzeug 10 mit zwei relativ zueinander bewegbaren Stammformen 12, 14. als Werkzeugteile. 6 shows a schematic representation of another tool for performing the method according to another embodiment. Here, too, a fiber-reinforced plastic component of at least one fiber preform 16 performed by a transfer molding process. Thus, it is also according to the Wekrzeug 6 around a transfer molding tool 10 with two relatively movable stem forms 12 . 14 , as tool parts.

Üblicherweise werden zunächst vorkonfektionierte Fasermatten 34 des Faservorformlings 16 in eine beheizte Kavität 36 des Spritzpresswerkzeugs 10 eingelegt. Die Beheizung der Kavität 36 erfolgt im Zuge einer sogenannten Grundtemperierung. Anschließend werden die Stammformen 12, 14 aufeinander zu bewegt, wodurch die Kavität 36 geschlossen wird. Dann wird ein duroplastisches Harz als Matrix für die Fasermatten 34 injiziert. Um das Harz durch eine chemische Vernetzung auszuhärten, werden üblicherweise die Kavität 36 begrenzende Wandungen des Spritzpresswerkzeugs 10 auf eine vorgebbare Temperatur aufgeheizt. Bei einer konstanten Erwärmung des Spritzpresswerkzeugs 10 muss das Harz sehr schnell injiziert werden, um eine vollständige Formfüllung zu erreichen. Alternativ kann das Spritzpresswerkzeug 10 dynamisch beheizt werden. Ein solches dynamisches Aufheizen und Abkühlen kann jedoch ab einer gewissen Werkzeuggröße zu Problemen führen, da hier die Wärmedehnung des Spritzpresswerkzeugs 10 nicht mehr vernachlässigt werden kann.Usually, prefabricated fiber mats are first 34 of the fiber preform 16 in a heated cavity 36 of the transfer molding tool 10 inserted. The heating of the cavity 36 takes place in the course of a so-called basic temperature control. Then the parent forms 12 . 14 moved towards each other, causing the cavity 36 is closed. Then, a thermosetting resin as a matrix for the fiber mats 34 injected. To cure the resin by chemical crosslinking, usually the cavity 36 bounding walls of the transfer molding tool 10 heated to a predetermined temperature. At a constant heating of the transfer molding tool 10 The resin must be injected very quickly to achieve a complete mold filling. Alternatively, the transfer molding tool 10 be heated dynamically. However, such a dynamic heating and cooling can lead to problems from a certain tool size, since the thermal expansion of the transfer molding tool 10 can no longer be neglected.

Diese Nachteile lassen sich durch das anhand von 1 bis 5 sowie durch das anhand von 6 veranschaulichte Verfahren vermeiden. Bei dem Verfahren gemäß 6 wird das Spritzpresswerkzeug 10 auf eine vorgebbare, konstante Temperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Harzes beheizt. In die Fasermatten 34 des Faservorformlings 16 sind elektrische Heizelemente einer Heizvorrichtung 26 eingebracht, welche eine Heizschicht 24 bilden. Die Heizelemente sind mit einem gemeinsamen elektrischen Kontaktelement 38 elektrisch verbunden, über welches des Heizelementen elektrischer Strom zugeführt werden kann.These disadvantages can be explained by the basis of 1 to 5 as well as by means of 6 avoid illustrated procedures. In the method according to 6 becomes the transfer molding tool 10 heated to a predetermined, constant temperature below the curing temperature of the resin. In the fiber mats 34 of the fiber preform 16 are electrical heating elements of a heater 26 introduced, which is a heating layer 24 form. The heating elements are connected to a common electrical contact element 38 electrically connected, via which the heating elements electrical current can be supplied.

Die Stammformen 12, 14 weisen jeweils ein mit dem Kontaktelement 38 korrespondierendes, weiteres Kontaktelement 40 auf. Beim Schließen der Stammformen 12, 14 wird das Kontaktelement 38 mit den Kontaktelement 40 elektrische kontaktiert, so dass den elektrischen Heizelementen über die Kontaktelemente 38, 40 elektrischer Strom zum Beheizen des Faservorformlings 16 zugeführt werden kann, wodurch die Heizelemente aktiviert werden. Die Heizelemente verbleiben dabei im späteren faserverstärkten Kunststoffbauteil.The parent forms 12 . 14 each have one with the contact element 38 corresponding, further contact element 40 on. When closing the stem forms 12 . 14 becomes the contact element 38 with the contact element 40 electrical contacted, so that the electric heating elements via the contact elements 38 . 40 electric current for heating the fiber preform 16 can be supplied, whereby the heating elements are activated. The heating elements remain in the later fiber-reinforced plastic component.

Eine Besonderheit des Verfahrens besteht in der zumindest im Wesentlichen isothermen Temperierung des Spritzpresswerkzeugs 10 bei gleichzeitiger, dynamischer Temperierung des Kunststoffbauteils bzw. des Faservorformlings 16. Die dynamische Temperierung wird auch als variotherme Temperierung bezeichnet. Hierdurch kann die oben genannte Problematik der Wärmedehnung des Spritzpresswerkzeugs 10 bzw. eines Werkzeugs zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils vermieden werden. Zusätzlich handelt es sich um ein variothermes Verfahren mit einem besonders geringen Energieeinsatz, da nur der Faservorformling 16 und nicht das diesen umgebende Spritzpresswerkzeug 10 dynamisch temperiert wird. Um die erforderliche Heizenergie besonders gering zu halten, kann eine thermische Isolation der Kavität 36 vom Faservorformling 16, beispielsweise durch entsprechende konstruktive Maßnahmen, vorgesehen werden.A special feature of the method is the at least substantially isothermal tempering of the transfer molding tool 10 with simultaneous, dynamic temperature control of the plastic component or the fiber preform 16 , Dynamic temperature control is also referred to as variothermal temperature control. As a result, the above-mentioned problem of thermal expansion of the transfer molding tool 10 or a tool for producing a fiber-reinforced plastic component can be avoided. In addition, it is a variothermic process with a particularly low energy input, since only the fiber preform 16 and not the surrounding transfer molding tool 10 is dynamically tempered. In order to keep the required heating energy particularly low, a thermal insulation of the cavity 36 from the fiber preform 16 be provided for example by appropriate design measures.

Die elektrischen Heizelemente können aus Kohlefasern, Kupfer oder sonstigen elektrisch leitfähigen Materialien gebildet sein. Die Heizelemente tragen führen dabei nicht zu einer wesentlichen Erhöhung des Bauteilgewichts. Die Heizelemente werden beispielsweise auf einem elektrisch isolierenden Trägermaterial fixiert und zwischen die Fasermatten 34 eingebracht. Das Kontaktelement 38 befindet sich außerhalb der Fasermatten 34 und somit außerhalb des eigentlichen, späteren faserverstärkten Kunststoffbauteils und kann nach dem Aushärten des Harzes entfernt werden. Die elektrische Kontaktierung der Heizelemente erfolgt bei geschlossenem Spritzpresswerkzeug 10. Zur Darstellung einer besonders hohen Steifigkeit und Bruchfestigkeit des faserverstärkten Kunststoffbauteils kann dieses durch die Heizvorrichtung 26 ausgesteift sein. Außerdem kann das Trägermaterial bei entsprechender Gestaltung als Fließhilfe für das Harze verwendet werden.The electrical heating elements may be formed of carbon fibers, copper or other electrically conductive materials. The heating elements do not lead to a significant increase in the weight of the component. The heating elements are fixed for example on an electrically insulating carrier material and between the fiber mats 34 brought in. The contact element 38 located outside the fiber mats 34 and thus outside of the actual, later fiber-reinforced plastic component and can be removed after curing of the resin. The electrical contacting of the heating elements takes place when the injection-compression molding tool is closed 10 , To illustrate a particularly high rigidity and breaking strength of the fiber-reinforced plastic component, this can by the heater 26 be stiffened. In addition, the support material can be used with appropriate design as a flow aid for the resins.

Die Beheizung des Faservorformlings 16, d. h. die Wärmeeinbringung kann je nach Ansteuerung widerstandselektrisch, über Induktion in die umgebenden Fasermatten 34 oder die Wandungen des Spritzpresswerkzeugs 10 oder über dielektrische Erwärmung der umgebenden Fasermatten 34 erfolgen.The heating of the fiber preform 16 , ie the heat input can, depending on the control resistance electrical, via induction in the surrounding fiber mats 34 or the walls of the transfer molding tool 10 or via dielectric heating of the surrounding fiber mats 34 respectively.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008043527 A1 [0003] DE 102008043527 A1 [0003]

Claims (7)

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (32), bei welchem zumindest ein Faservorformling (16) mittels einer Heizvorrichtung (26) beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservorformling (16) mittels einer in diesen integrierte Heizeinvorrichtung (26) beheizt wird.Method for producing a fiber-reinforced plastic component ( 32 ), in which at least one fiber preform ( 16 ) by means of a heating device ( 26 ) is heated, characterized in that the fiber preform ( 16 ) by means of a built-in heating device ( 26 ) is heated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservorformling (16) wenigstens zwei Faserschichten (20, 22) aufweist, zwischen welchen eine Heizschicht (24) der Heizvorrichtung (26) angeordnet ist.Process according to claim 1, characterized in that the fiber preform ( 16 ) at least two fiber layers ( 20 . 22 ), between which a heating layer ( 24 ) of the heating device ( 26 ) is arranged. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Heizschicht und (24) der jeweiligen Faserschicht (20, 22) eine jeweilige Isolationsschicht (28, 30) angeordnet ist.Method according to claim 2, characterized in that between the heating layer and ( 24 ) of the respective fiber layer ( 20 . 22 ) a respective insulation layer ( 28 . 30 ) is arranged. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Beheizen des Faservorformlings (16) ein Binder zum Fixieren des Faservorformlings (16) aktiviert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that by heating the fiber preform ( 16 ) a binder for fixing the fiber preform ( 16 ) is activated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Beheizen ein Matrixwerkstoff, insbesondere ein Harz, mit welchem der Faservorformling (16) versehen ist, ausgehärtet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that by heating a matrix material, in particular a resin, with which the fiber preform ( 16 ), is cured. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Beheizen ein Klebstoff zum Fügen des Faservorformlings (16) und/oder des faserverstärkten Kunststoffbauteils (32) mit einem weiteren Bauelement ausgehärtet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that by heating an adhesive for joining the fiber preform ( 16 ) and / or the fiber-reinforced plastic component ( 32 ) is cured with another component. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil (32) im Rahmen eines Spritzpressverfahrens hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber-reinforced plastic component ( 32 ) is produced in a transfer molding process.
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