DE102016220588A1 - Distributed system adapted to semi-finished fiber properties - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils in einem RTM-Werkzeug durch Einbringen einer Matrix in ein Faserhalbzeug, das aus zumindest einer Faserschicht mit einer Hauptachsenpermeabilität K1 gebildet ist, wobei das RTM-Werkzeug ein Formnest ausbildet, dessen Oberfläche einen zu einem von dem Formnest bestimmten Hohlraum offenen Matrixverteilungskanal ausbildet, und das Faserhalbzeug in dem RTM-Werkzeug mit einer Hauptachsenrichtung, in der die Hauptachsenpermeabilität K1 wirkt, orthogonal zu einer Längsachse X des Matrixverteilungskanals ausgerichtet wird.The invention relates to a method for producing a fiber composite component in an RTM tool by introducing a matrix into a semi-finished fiber product, which is formed from at least one fiber layer having a Hauptachsenpermeabilität K1, wherein the RTM tool forms a mold cavity whose surface is one of the Formnest certain cavity open matrix distribution channel is formed, and the semifinished fiber in the RTM tool with a major axis direction in which the main axis permeability K1 acts, is aligned orthogonal to a longitudinal axis X of the matrix distribution channel.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstimmung eines Matrixverteilersystems auf die Faserhalbzeugeigenschaften.The invention relates to a method for tuning a matrix distribution system to the semi-finished fiber properties.
Das Resin Transfer Moulding (RTM) oder Harzinjektionsverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von lang- bzw. endlosfaserverstärkten Faserverbundbauteilen in kleinen, mittleren und zum Teil großen Serien. Mit Hilfe des Verfahrens sind sowohl Faserverbundhohlprofile, Faserverbundschalenbauteile als auch flache Faserverbundbauteile produzierbar, indem ein Faserhalbzeug durch das Injizieren eines Matrixmaterials, wie beispielsweise eines Harzes, imprägniert wird. Hierzu wird das Faserhalbzeug als endkonturnahe Preform in ein Formnest eingelegt, welches als negative Form des zu produzierenden Faserverbundbauteils von einem meist zweiteiligen Werkzeug ausgebildet wird. Das Harz wird durch Kanäle in dem RTM-Werkzeug mit möglichst konstantem Volumenstrom bzw. Druck in das Faserhalbzeug bzw. das Formnest eingebracht. Bei der Injektion bzw. der Imprägnierung durchströmt das Harz die Faserlagen des Faserverbundbauteils und kann nach der Durchtränkung an Steigern austreten. Dem Füllen des Formnests schließt sich die Aushärtung des Harzes, falls nötig unter Einfluss von Temperatur und/oder Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck, an. Nach dem Aushärten kann das Faserverbundbauteil dem Werkzeug entnommen werden.Resin Transfer Molding (RTM) or Resin Injection is a process for making long- and continuous-fiber-reinforced fiber composite components in small, medium and sometimes large series. By means of the method, both fiber composite hollow profiles, fiber composite shell components and flat fiber composite components can be produced by impregnating a semi-finished fiber product by injecting a matrix material, such as a resin. For this purpose, the semi-finished fiber product is inserted as near-net-shape preform in a mold cavity, which is formed as a negative form of the fiber composite component to be produced by a usually two-part tool. The resin is introduced through channels in the RTM tool with the most constant volume flow or pressure in the semi-finished fiber product or the mold cavity. During the injection or the impregnation, the resin flows through the fiber layers of the fiber composite component and can emerge after the impregnation on the risers. The filling of the mold cavity is followed by the hardening of the resin, if necessary under the influence of temperature and / or overpressure relative to the ambient pressure. After curing, the fiber composite component can be removed from the tool.
Um ein gleichmäßiges und über mehrere RTM-Zyklen hinweg reproduzierbares Imprägnieren des Faserhalbzeugs zu gewährleisten, muss das Fließverhalten des Harzes bzw. der Matrix nicht nur in dem Harzverteilungssystem konstant und reproduzierbar sein, sondern auch in dem Faserhalbzeug selbst. Das Fließverhalten in dem Faserhalbzeug wird vor allem durch die Anordnung der Fasern zueinander bestimmt und kann mit der sogenannten Permeabilität bzw. Durchlässigkeit beschrieben werden.In order to ensure a uniform impregnation of the semifinished fiber product that is reproducible over several RTM cycles, the flow behavior of the resin or of the matrix must not only be constant and reproducible in the resin distribution system, but also in the semifinished fiber product itself. The flow behavior in the semifinished fiber product becomes apparent All determined by the arrangement of the fibers to each other and can be described with the so-called permeability or permeability.
In Faserhalbzeugen gibt es für die Beschreibung des Fließverhaltens bzw. der Durchlässigkeit drei maßgebliche Größen. Die Permeabilitäten entlang der drei Hauptachsen beschreiben jeweils die Durchlässigkeit des Faserhalbzeugs für das Harz bzw. die Matrix in die jeweilige Hauptachsenrichtung. Die Hauptachsenpermeabilität K1 ist die größte Permeabilität und verläuft parallel zu der Richtung der Fasererstreckung, da sich die Matrix zwischen den Fasern nahezu ungehindert entlang den Erstreckungsrichtungen der Fasern ausbreiten kann. Im 90° Winkel zu der Wirkrichtung der Hauptachsenpermeabilität K1 liegt die Hauptachsenpermeabilität K2. Die Wirkrichtung der Hauptachsenpermeabilität K2 liegt in einer Fasermatte, da sie näherungsweise einem 2-dimensionalen Körper entspricht, parallel zu einer von einer Fasermattenoberfläche aufgespannten Fläche. Die Wirkrichtung der Hauptachsenpermeabilität K3 steht senkrecht zu den Wirkrichtungen der Hauptachsenpermeabilitäten K1 und K2.In semifinished fiber products there are three significant quantities for the description of flow behavior or permeability. The permeabilities along the three main axes each describe the permeability of the semifinished fiber product for the resin or the matrix in the respective main axis direction. The major axis permeability K1 is the largest permeability and is parallel to the direction of fiber extension because the matrix can propagate between fibers almost unrestrained along the directions of extension of the fibers. In the 90 ° angle to the effective direction of the main axis permeability K1 is the main axis permeability K2. The effective direction of the main axis permeability K2 lies in a fiber mat, since it corresponds approximately to a 2-dimensional body, parallel to a surface spanned by a fiber mat surface. The effective direction of the main axis permeability K3 is perpendicular to the directions of action of the Hauptachsenpermeabilitäten K1 and K2.
Aus dem Stand der Technik sind mit den Offenbarungen der
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein günstiges, einfaches Verfahren unter Berücksichtigung der Hauptachsenpermeabilitäten eines Faserhalbzeugs zur Verfügung zu stellen, das eine gleichmäßige, reproduzierbare und schnelle Imprägnierung des Faserhalbzeugs ermöglicht.The invention is therefore based on the object to overcome the aforementioned disadvantages and to provide a cheap, simple method, taking into account the Hauptachsenpermeabilitäten a semifinished fiber product, which allows a uniform, reproducible and rapid impregnation of the semifinished fiber.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the feature combination according to
Um das Faserhalbzeug schnell und formgerecht zu imprägnieren, müssen die Hauptachsenpermeabilitäten im Sinne der Erfindung berücksichtigt werden.In order to impregnate the semi-finished fiber quickly and in shape, the Hauptachsenpermeabilitäten must be considered in the context of the invention.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils in einem RTM-Werkzeug durch Einbringen einer Matrix in ein Faserhalbzeug vorgeschlagen. Das Faserhalbzeug ist aus zumindest einer Faserschicht mit einer Hauptachsenpermeabilität K1 gebildet. Das RTM-Werkzeug umfasst ein Formnest, dessen Oberfläche einen Matrixverteilungskanal ausbildet. Der Matrixverteilungskanal ist zu einem von dem Formnest bestimmten Hohlraum hin offen. Das Faserhalbzeug wird in dem RTM-Werkzeug so orientiert, dass eine Hauptachsenrichtung, in der die Hauptachsenpermeabilität K1 wirkt, orthogonal zu einer Längsachse X des Matrixverteilungskanals ausgerichtet ist. An der Oberfläche, an der der Matrixverteilungskanal anliegt, wirken die Hauptachsenpermeabilität K1 und die Hauptachsenpermeabilität K2. Da die Wirkrichtung bzw. die Hauptachse der Hauptachsenpermeabilität K1 orthogonal zu dem Matrixverteilungskanal liegt, verteilt sich die durch den Matrixverteilungskanal in das Faserhalbzeug eingebrachte Matrix schnellstmöglich in dem Faserhalbzeug. Die Matrix wird in die Hauptachse, in der die Hauptachsenpermeabilität K2 wirkt, von dem Matrixverteilungskanal verteilt, da diese durch ihre jeweiligen Lagen zu der Wirkrichtung der Hauptachsenpermeabilität K1 parallel liegen.According to the invention, a method for producing a fiber composite component in an RTM tool by introducing a matrix into a semi-finished fiber product is proposed. The semi-finished fiber product is formed from at least one fiber layer with a main axis permeability K1. The RTM tool comprises a mold cavity whose surface forms a matrix distribution channel. The matrix distribution channel is open to a cavity defined by the mold cavity. The semi-finished fiber is oriented in the RTM tool so that a major axis direction in which the major axis permeability K1 acts is oriented orthogonal to a longitudinal axis X of the matrix distribution channel. On the surface where the matrix distribution channel abuts, the major axis permeability K1 and the major axis permeability K2 act. Since the effective direction or the main axis of the main axis permeability K1 is orthogonal to the matrix distribution channel, the matrix introduced into the semifinished fiber product through the matrix distribution channel is distributed as quickly as possible in the semifinished fiber product. The matrix is distributed in the main axis, in which the main axis permeability K2 acts, of the matrix distribution channel, since they are parallel by their respective positions to the direction of action of the main axis permeability K1.
Vorteilhaft ist, dass die zumindest eine Faserschicht, die die Hauptachsenpermeabilität K1 aufweist, flächig an der Oberfläche anliegt. Durch das flächige Anliegen werden zwischen der Oberfläche und der Faserschicht Matrixanhäufungen vermieden.It is advantageous that the at least one fiber layer, which has the main axis permeability K1, lies flat against the surface. Due to the flat concerns matrix accumulations are avoided between the surface and the fiber layer.
Ferner ist von Vorteil, dass die Matrix durch einen Matrixzuführungskanal in das RTM-Werkzeug eingebracht wird, von dem die Matrix über zumindest einen Matrixversorgungskanal zu dem Matrixverteilungskanal geführt wird. Der Matrixzuführkanal steht dabei nicht in Kontakt mit dem Faserhalbzeug. Der Matrixzuführkanal, der Matrixversorgungskanal und der Matrixverteilungskanal bilden gemeinsam das Matrixverteilungssystem. Die Kanäle bilden ein Führungssystem und eine Fließhilfe für die Matrix, welche von dem Matrixzuführkanal, durch den Matrixversorgungskanal und bis an das von dem Matrixversorgungskanal abgewandte Ende des Matrixverteilungskanals in eine Matrixfließrichtung fließt. Furthermore, it is advantageous that the matrix is introduced through a matrix feed channel into the RTM tool, from which the matrix is guided via at least one matrix supply channel to the matrix distribution channel. The Matrixzuführkanal is not in contact with the semi-finished fiber. The matrix feed channel, the matrix feed channel and the matrix distribution channel together form the matrix distribution system. The channels form a guiding system and a flow aid for the matrix, which flows from the matrix feed channel, through the matrix feed channel and to the end of the matrix distribution channel facing away from the matrix feed channel in a matrix flow direction.
Die Matrix wird vorteilhafterweise durch den zumindest einen Matrixversorgungskanal in eine Vielzahl von in regelmäßigen, gleichen Abständen angeordneten Matrixverteilungskanälen geleitet. Durch den zumindest einen Matrixversorgungskanal geführt, verteilt sich die Matrix in den Matrixverteilungskanälen. Der Teil der Matrix der durch die Matrixverteilungskanäle und den zumindest einen Matrixversorgungskanal in das Faserhalbzeug eindringt, wird durch den Matrixzuführkanal und den zumindest einen Matrixversorgungskanal nachgespeißt, so dass ein stetiger Matrixfluß gleichbleibenden Volumenstroms besteht. Die Abstände zwischen den Matrixverteilungskanälen werden in einer Ausbildungsform kleiner werdend ausgebildet, sodass eine sich in dem Faserhalbzeug ausbreitende Fließfront der Matrix berücksichtigt wird.The matrix is advantageously passed through the at least one matrix supply channel into a plurality of matrix distribution channels arranged at regular equidistant intervals. Guided by the at least one matrix supply channel, the matrix is distributed in the matrix distribution channels. The part of the matrix which penetrates through the matrix distribution channels and the at least one matrix supply channel into the semifinished fiber product is fed through the matrix supply channel and the at least one matrix supply channel, so that there is a constant matrix flow of constant volumetric flow. The distances between the matrix distribution channels are made smaller in one embodiment so that a flow front of the matrix propagating in the semifinished fiber product is taken into account.
Bevorzugt verläuft eine Längsachse Y des Matrixversorgungskanals in Richtung der Hauptachsenrichtung, in der die Hauptachsenpermeabilität K1 wirkt. Dadurch ist die Ausbreitung der Matrix in dem Faserhalbzeug symmetrisch, da sich die Matrix auch aus dem Matrixversorgungskanal im Wesentlichen nur in die Hauptachsenrichtung der Hauptachsenpermeabilität K1 ausbreiten kann.Preferably, a longitudinal axis Y of the matrix supply channel runs in the direction of the main axis direction in which the main axis permeability K1 acts. As a result, the spread of the matrix in the semi-finished fiber product is symmetrical, since the matrix can also propagate from the matrix supply channel essentially only in the main axis direction of the main axis permeability K1.
Von Vorteil ist, dass die Längsachse X des Matrixverteilungskanals so ausgerichtet ist, dass bei einem Einlegen des Faserhalbzeugs in das RTM-Werkzeug die Längsachse X des Matrixverteilungskanals stets orthogonal zu der Hauptachsenrichtung der Hauptachsenpermeabilität K1 der Faserschicht eingelegt wird. Dies wird beispielsweise erreicht, in dem das Faserhalbzeug in einer bestimmten Orientierung seiner Hauptachsen ausgebildet wird. Die so entstehende Form, beispielsweise ein Rechteck, korrespondiert zu einer Form in dem RTM-Werkzeug, wodurch die Orientierung der Hauptachsen zu den Matrixverteilungskanälen des RTM-Werkzeugs beim Einlegen automatisch hergestellt ist. Eine langwierige Ausrichtung entfällt, da diese durch die Form des Faserhalbzeugs und des Formnests des RTM-Werkzeugs automatisch hergestellt wird.It is advantageous that the longitudinal axis X of the matrix distribution channel is aligned so that when inserting the semifinished fiber in the RTM tool, the longitudinal axis X of the matrix distribution channel is always inserted orthogonal to the main axis direction of the Hauptachsenpermeabilität K1 of the fiber layer. This is achieved, for example, in which the semi-finished fiber product is formed in a specific orientation of its main axes. The resulting shape, such as a rectangle, corresponds to a shape in the RTM tool, whereby the orientation of the major axes to the matrix distribution channels of the RTM tool is automatically established upon insertion. A lengthy alignment is eliminated, since this is automatically produced by the shape of the semi-finished fiber and the mold cavity of the RTM tool.
Die Hauptachsenpermeabilität K1 der Faserschicht liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von 5,5×10-12 m2 bis 1×10-9 m2.The major axis permeability K1 of the fiber layer is advantageously in a range of 5.5 × 10 -12 m 2 to 1 × 10 -9 m 2 .
Ein zu der Längsachse X orthogonaler Querschnitt des Matrixverteilungskanals weist an seiner von dem Hohlraum abgewandten Seite vorteilhafterweise eine mit einem Radius R zumindest teilweise kreisförmig ausgebildete Bodenfläche auf, wobei der Radius R bevorzugt in einem Bereich von 0,25 bis 2,5 mm liegt.An orthogonal to the longitudinal axis X cross-section of the matrix distribution channel has on its side facing away from the cavity advantageously to a radius R at least partially circular bottom surface formed, wherein the radius R is preferably in a range of 0.25 to 2.5 mm.
Die Kanalhöhe H, Kanalbreite B und der Radius sind jeweils mit einem geeigneten Messmittel zu messen oder mit einem geeigneten Prüfmittel zu prüfen. Für die Kanalhöhe H und die Kanalbreite B eignet sich beispielsweise ein Messschieber zur Messung. Für den Radius R eignet sich eine Radienlehre zur Prüfung des Radius.The channel height H, channel width B and the radius are each to be measured with a suitable measuring instrument or tested with a suitable test equipment. For example, a caliper for measurement is suitable for the channel height H and the channel width B. For the radius R is a radius gauge for testing the radius.
Von Vorteil ist, dass der Matrixverteilungskanal in dem Querschnitt zwei zu der Oberfläche orthogonale Seitenwände umfasst, die zueinander durch eine Kanalbreite B beabstandet sind und an ihrem von dem Hohlraum abgewandten Ende fließend in die Bodenfläche übergehen, wobei vorteilhafterweise die Kanalbreite B doppelt so groß ist wie der Radius R und eine Kanalhöhe H dreimal so groß ist wie der Radius R, so dass gilt B = 2xR und H = 3xR. Die Kanalbreite B ist dabei der Abstand der beiden Seitenwände zueinander und die Kanalhöhe H der größte Abstand der von der Oberfläche abgewandten Seite des Matrixverteilungskanals in orthogonale Richtung von der Oberfläche.It is advantageous that the matrix distribution channel in the cross section comprises two orthogonal to the surface side walls, which are spaced from each other by a channel width B and at its end remote from the cavity flow into the bottom surface, advantageously the channel width B is twice as large as the radius R and a channel height H are three times as large as the radius R, so that B = 2xR and H = 3xR. The channel width B is the distance between the two side walls to each other and the channel height H, the largest distance of the side facing away from the surface of the matrix distribution channel in the orthogonal direction from the surface.
Vorteilhafterweise verkleinert sich in einer Ausführungsform eine durchströmbare Querschnittsfläche des Matrixverteilungskanals in eine Matrixfließrichtung, um Druckverluste in dem Matrixverteilungskanal auszugleichen. Die Matrixfließrichtung entspricht der Ausbreitungsrichtung der Matrix in dem Matrixverteilungskanal und ist von der Verbindungstelle mit dem Matrixversorgungskanal in Richtung des von dem Versorgungskanal abgewandten Endes des Matrixverteilungskanals orientiert.Advantageously, in one embodiment, a flow-through cross-sectional area of the matrix distribution channel decreases in a matrix flow direction to compensate for pressure losses in the matrix distribution channel. The matrix flow direction corresponds to the propagation direction of the matrix in the matrix distribution channel and is oriented from the junction with the matrix supply channel in the direction of the end of the matrix distribution channel facing away from the supply channel.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar soweit dies technisch möglich ist und diese nicht in Widerspruch zueinander stehen.The features disclosed above can be combined in any way that is technically possible and they do not contradict each other.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine schematische Anordnung eines Harzverteilungssystems zu einem Faserhalbzeug; -
2 einen schematischen Schnitt durch ein RTM-Werkzeug und einem daran anliegenden Faserhalbzeug.
-
1 a schematic arrangement of a resin distribution system to a semi-finished fiber product; -
2 a schematic section through an RTM tool and a semi-finished fiber adjacent thereto.
Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.The figures are exemplary schematic. Like reference numerals in the figures indicate like functional and / or structural features.
In
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise muss der Matrixversorgungskanal nicht das Faserhalbzeug berühren, sondern kann seitlich davon angeordnet sein.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use. For example, the matrix supply channel does not have to touch the semi-finished fiber, but may be arranged laterally therefrom.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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