DE102022110717A1 - Device for the flexibly adjustable shaping of thermally consolidable materials - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 15 zur flexibel einstellbaren Formgebung durch Härtung von thermisch konsolidierbaren Materialien 20, bestehend zumindest aus einer elastischen, druckdichten Membran 1 sowie zumindest einem integrierten Heizelement 2. Um eine Vorrichtung 15 mit einer flexibel einstellbaren formgebenden Konsolidierung mit anschließender Aushärtung von thermisch konsolidierbaren Materialien 20 zur Verfügung zu stellen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Heizelement 2 dehnfähig in der elastischen Membran 1 eingebettet ist und einer vordefinierten Formgebung folgt, wobei die Membran 1 durch Druckdifferenz und/oder einen kontourgebenden Formeinsatz 22 und/oder eine Dehnungsbegrenzung gezielt verformbar, thermisch regulierbar und wiederverwendbar ist.The invention relates to a device 15 for flexibly adjustable shaping by hardening thermally consolidable materials 20, consisting of at least an elastic, pressure-tight membrane 1 and at least one integrated heating element 2. To a device 15 with a flexibly adjustable shaping consolidation with subsequent curing of thermally consolidable In order to provide materials 20, it is provided according to the invention that the heating element 2 is embedded in the elastic membrane 1 in an elastic manner and follows a predefined shape, the membrane 1 being specifically deformable by pressure difference and/or a contouring mold insert 22 and/or an expansion limitation, is thermally adjustable and reusable.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur flexibel einstellbaren Formgebung von thermisch konsolidierbaren Materialien zur Herstellung von schalen- oder rohrförmigen Gebilden, bestehend aus zumindest einer elastischen Membran beziehungsweise Druckmembran und zumindest einem integrierten Heizelement.The invention relates to a device for the flexibly adjustable shaping of thermally consolidable materials for the production of shell-shaped or tubular structures, consisting of at least one elastic membrane or pressure membrane and at least one integrated heating element.
Beheizbare Membranen werden heutzutage insbesondere bei der Reparatur von beispielsweise Flugzeugaußenhautkomponenten oder bei der Herstellung von Windradflügelschalen eingesetzt. Diese werden in spezifischen Formen hergestellt und sind somit wenig flexibel. Dabei kann kein zusätzlicher Pressdruck, der zur Herstellung qualitativ hochwertiger Faserverbundteile erforderlich ist, umgesetzt werden. Derartige Membranen sind teilweise biegbar; jedoch nicht dehnfähig im physikalischen Sinne. Alternativ dazu wird eine Vakuummembran auf eine Werkzeugform gesaugt und das dazwischenliegende Material in einem Autoclav-Ofen konsolidiert. Dieses Verfahren weist dabei einen circa 50-fach höheren Energiebedarf auf. Weitere Systeme insbesondere bei höheren Stückzahlen werden durch beheizbare und mindestens zweiseitige Metallwerkzeuge gebildet, deren Herstellung höchst kostenintensiv und aufgrund der hohen Wärmekapazität solcher Werkzeuge energetisch ineffizient ist. Bei einer Veränderung des Bauteils sind diese Werkzeuge meist nicht mehr zu verwenden. Die Nachteile des heutigen Stands der Technik bestehen darin, dass die Verfahren zumeist wenig flexibel sind und zudem hohe Anlagenkosten entstehen und einen hohen Energieeinsatz erfordern.Nowadays, heatable membranes are used in particular in the repair of, for example, aircraft outer skin components or in the production of wind turbine blade shells. These are manufactured in specific shapes and are therefore not very flexible. No additional pressing pressure, which is required to produce high-quality fiber composite parts, can be implemented. Such membranes are partially bendable; but not stretchy in the physical sense. Alternatively, a vacuum membrane is sucked onto a tool mold and the material in between is consolidated in an autoclav oven. This process requires around 50 times more energy. Other systems, especially in larger quantities, are formed by heatable and at least two-sided metal tools, the production of which is highly cost-intensive and energetically inefficient due to the high heat capacity of such tools. If the component is changed, these tools can usually no longer be used. The disadvantages of the current state of the art are that the processes are usually not very flexible and also incur high system costs and require a lot of energy.
Aus der
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Flexible Heizelemente mit mäanderähnlichen Strukturen als Verlegemuster für den Leiter sind aus der
Ein arretierbares Multigelenksystem, wie es im Kern der arretierbaren und einstellbaren Schlauchmembran eingesetzt werden kann, ist aus der
Die Nachteile der bekannten Heizelemente und Membran-Vorrichtungen liegen darin, dass sie entweder passgenau und formgebunden sind, teilweise nicht dehnfähig, nicht beheizbar oder nicht mit Überdruck beaufschlagbar sind. Die Ursache liegt darin, dass die flexiblen und teilweise dehnbaren Heizelemente schichtweise mittels Sticktechnologien oder aus flächenförmigen Leitern wie Vliesen oder Netzen hergestellt werden.The disadvantages of the known heating elements and membrane devices are that they are either a precise fit and form-bound, some are not stretchable, cannot be heated or cannot be subjected to excess pressure. The reason is that the flexible and partially stretchable heating elements are manufactured in layers using embroidery technologies or from flat conductors such as fleeces or nets.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen zur flexibel einstellbaren, formgebenden Konsolidierung und Härtung von thermisch zu konsolidierenden Materialien bei minimalem Werkzeugeinsatz sowie hoher Werkzeugflexibilität und hoher Energieeffizienz aufzuzeigen.The object of the present invention is to demonstrate devices for the flexibly adjustable, shaping consolidation and hardening of materials to be thermally consolidated with minimal use of tools as well as high tool flexibility and high energy efficiency.
Zur Lösung der Aufgabenstellung ist vorgesehen, dass das Heizelement dehnfähig in der elastischen Membran eingebettet ist und der Formgebung der Membran folgt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.To solve the problem, it is provided that the heating element is embedded in the elastic membrane in an expandable manner and follows the shape of the membrane. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.
Die angemeldete Erfindung betrifft eine variabel einstellbare, elastisch dehnfähige und temperierbare Membran, insbesondere Druckmembran zur formgebenden Herstellung von schalen- oder rohrförmigen, thermisch aushärtbaren Materialien, beispielsweise Faserverbundkunststoffen (Faserkunststoff-Verbund), mittels thermischen Verpressens durch Druckdifferenz der Membranseiten und mittels regulierter Temperierung durch ein Heizelement und soweit erforderlich einem Kühlsystem, wodurch ein variothermer Prozeß ermöglicht wird.The invention applied for relates to a variably adjustable, elastically stretchable and temperature-controllable membrane, in particular a pressure membrane for the shaping production of shell-shaped or tubular, thermally curable materials, for example fiber-reinforced plastics (fiber-plastic composite), by means of thermal compression by means of a pressure difference between the sides of the membrane and by means of regulated temperature control Heating element and, if necessary, a cooling system, which enables a variothermal process.
Es handelt sich um eine dehnfähige Membran, die vorteilhafterweise unterschiedliche Formen annehmen kann und in einer Vorrichtung verwendbar ist, sodass mittels Druckdifferenz das zu verarbeitende Material zusätzlich verpresst werden kann. Die Verwendung eines Überdruckes ermöglicht gegenüber einem Vakuum eine vielfach höhere Verpressung, was insbesondere bei Faser-Kunststoffverbundstrukturen mit einer strukturell verbesserten Qualität einhergeht.It is a stretchable membrane that advantageously has different shapes can accept and can be used in a device so that the material to be processed can be additionally pressed using a pressure difference. The use of excess pressure enables a much higher compression than a vacuum, which is accompanied by structurally improved quality, particularly in the case of fiber-plastic composite structures.
Die Nutzung einer Verguß-, Infusions- und/oder Injektionstechnik ermöglicht in vorteilhafter Weise eine homogene Versiegelung des Heizelementes ohne im direkten Umfeld mögliche Trennebenen aufgrund beispielsweise einer Sticktechnologie mit einem schichtweisen Membranaufbau zu verwenden.The use of a casting, infusion and/or injection technique advantageously enables a homogeneous sealing of the heating element without using possible separation levels in the immediate vicinity due to, for example, embroidery technology with a layered membrane structure.
Hierbei ist eine zusätzliche Umhüllung zwecks verbesserten Wärmeeintrags, wie sie in der
Die Dehn- und Stauchbarkeit der Membran impliziert eine Biegbarkeit, wodurch in vorteilhafter Weise eine Verformung der Membran möglich ist, sodass sich die Membran an unterschiedlichen auch dreidimensionalen Formen durch individuelle lokale Dehnungen anpasst.The stretchability and compressibility of the membrane implies bendability, which advantageously allows the membrane to be deformed so that the membrane adapts to different, including three-dimensional, shapes through individual local expansions.
Somit ist die Membran form übergreifend einsetzbar und einstellbar, wodurch eine hohe Flexibilität und Wirtschaftlichkeit erreicht wird. Durch den direkten am Bauteil anliegenden Wärmeeintrag durch das Heizelement ist ein Beheizen mit minimalem Energieaufwand möglich, wobei in vorteilhafter Weise durch den anliegenden Überdruck der Grad der Verpressung einhergehend mit der Bauteilqualität gegenüber reinen Vakuum-Membran-Verfahren gesteigert wird.This means that the membrane can be used and adjusted across different shapes, thereby achieving a high level of flexibility and cost-effectiveness. Due to the heat input directly onto the component through the heating element, heating is possible with minimal energy expenditure, with the applied excess pressure advantageously increasing the degree of compression along with the component quality compared to pure vacuum membrane processes.
Eine elastische, temperierbare Membran, insbesondere Druckmembran enthält eine elastisch eingebettete Widerstandsheizung (Heizelement), welche aus einem diskreten elektrischen Leiter gebildet wird und allseits von einem elastischen und elektrisch isolierenden Träger, der druckdichten Membran umgeben ist. Die druckdichte Membran kann mit einem integrierten Temperatursensor und mit einem umlaufenden Flanschsystem zur druckdichten Vorrichtungs-Anbindung ausgestattet sein. Eine derartige Membran, die in einer Vorrichtung ringsum druckdicht angebunden ist, ergibt einen einseitig überdruckfähigen Raum, sodass sich die Membran bei Überdruck aufgrund ihrer Elastizität aufblasen beziehungsweise stark verformen lässt. Eine derartige Membran, die ausreichend Elastizität aufweist, kann sich einer vordefinierten Dehnungsbegrenzung anschmiegen und kann in Kombination mit einer Austausch- oder innerhalb eines Spektrums einstellbaren Dehnungsbegrenzung durch Druck auf die Form der zu fertigenden Struktur eingestellt werden, wobei die Membran in der Vorrichtung ein endkonturnahes Voreinstellen der schlauch- oder flächenförmigen Membran ermöglicht. Es handelt sich in diesem Sinne um ein flexibles Membransystem mit extrem hoher Einstellungsvariabilität.An elastic, temperature-controlled membrane, in particular a pressure membrane, contains an elastically embedded resistance heater (heating element), which is formed from a discrete electrical conductor and is surrounded on all sides by an elastic and electrically insulating carrier, the pressure-tight membrane. The pressure-tight membrane can be equipped with an integrated temperature sensor and a circumferential flange system for pressure-tight device connection. Such a membrane, which is connected in a pressure-tight manner all around in a device, results in a space that can be pressurized on one side, so that the membrane can be inflated or significantly deformed when there is excess pressure due to its elasticity. Such a membrane, which has sufficient elasticity, can conform to a predefined expansion limit and can be adjusted in combination with an exchange limitation or an expansion limitation that can be adjusted within a spectrum by applying pressure to the shape of the structure to be manufactured, with the membrane in the device presetting close to the final contour the tubular or flat membrane enables. In this sense, it is a flexible membrane system with extremely high setting variability.
Die Erfindung ermöglicht aufgrund der Elastizität der Membran in vorteilhafter Weise die Herstellung unterschiedlicher Schalen- oder Rohrkonturen mit der gleichen Membran und einem integrierten Heizelement.Due to the elasticity of the membrane, the invention advantageously enables the production of different shell or tube contours with the same membrane and an integrated heating element.
Das Verfahren zur Herstellung der dehnfähigen und beheizbaren Membran ermöglicht ein schichtfreies Versiegeln des Heizelements. Durch das initial individuell steuerbare Verlegemuster des Heizelements sind neben konstanten, sich wiederholenden Mustern lokal definierte Dehnungen und Heizleistungen möglich. Das Ziel einer maximalen Homogenität des erzeugten Heizfeldes wird erreicht, indem ein homogenes sich wiederholendes Layout zugrunde liegt. Die Vorrichtung ist hierbei derart gestaltet, dass die am Bauteil wirkenden Wärmekapazitäten möglichst ähnlich sind, sodass ein homogener Wärmeeintrag zu einer gewünschten homogenen Bauteilerwärmung und Qualität führt. Auch das Ziel einer möglichst großen Formfreiheit der herzustellenden Bauteile mit einer homogenen Elastizität zu schaffen, wird durch die erfindungsgemäße Membran erreicht. Die bestehenden Freiheiten mit der thermisch regulierbaren Druckmembran individuell geformte Bauteile herzustellen, übersteigt die Möglichkeiten des bekannten Standes der Technik hierbei deutlich. Aufgrund des frei definierbaren Layouts des Leiters sind neben möglichst homogenen Verlegemustern ebenso Muster mit lokal definierten Dehnbarkeiten und/oder Heizleistungen möglich.The process for producing the stretchable and heatable membrane enables the heating element to be sealed without layers. Thanks to the initially individually controllable laying pattern of the heating element, locally defined expansions and heating outputs are possible in addition to constant, repeating patterns. The goal of maximum homogeneity of the generated heating field is achieved by using a homogeneous repeating layout. The device is designed in such a way that the heat capacities acting on the component are as similar as possible, so that a homogeneous heat input leads to the desired homogeneous component heating and quality. The goal of creating the greatest possible freedom of shape for the components to be produced with a homogeneous elasticity is also achieved by the membrane according to the invention. The existing freedom to produce individually shaped components with the thermally adjustable pressure membrane clearly exceeds the possibilities of the known state of the art. Due to the freely definable layout of the conductor, in addition to laying patterns that are as homogeneous as possible, patterns with locally defined extensibility and/or heating output are also possible.
Die bekannten Membransysteme offenbaren neben der Heizfunktion keine dehnfähige Kühlfunktion. Bei allen bekannten thermischen Produktionsprozessen ist eine Kühlfunktion nach dem Aufheizvorgang taktratensteigernd und verbessert einerseits die Bauteilqualität und andererseits die Wirtschaftlichkeit, sodass im variothermen Verfahren zusätzliche Vorteile erzielt werden.In addition to the heating function, the known membrane systems do not have an expandable cooling function. In all known thermal production processes, a cooling function after the heating process increases the clock rate and improves component quality on the one hand and economic efficiency on the other, so that additional advantages are achieved in the variothermal process.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran flächen- oder schlauchförmig ausgebildet ist. Somit bestehen die Möglichkeiten, mithilfe der Membran flächenartige, ebene oder gekrümmte Gebilde herzustellen, aber ebenso schlauchförmige beziehungsweise rohrartige Gebilde, die aus thermisch konsolidierbaren Materialien bestehen. Ferner kann die Membran mittels eines Flanschsystems druckdicht mit einer tragenden Struktur verbunden sein, beispielsweise einem Rahmen. Die Membran selbst kann durch Verguss, Infusions- oder Injektionstechnik hergestellt werden.In an embodiment of the invention it is provided that the membrane is designed to be flat or tubular. This means that there are possibilities to use the membrane to produce flat, flat or curved structures, as well as tubular or tube-like structures that consist of thermally consolidable materials. Furthermore, the membrane can be used by means of of a flange system must be connected in a pressure-tight manner to a supporting structure, for example a frame. The membrane itself can be produced by potting, infusion or injection technology.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Membran durch Druck verformbar ist, wobei die Formgebung der Membran durch einstellbare und austauschbare Elemente begrenzt werden kann. Durch die Dehnbarkeit der Membran und einer Druckdifferenz kann sich die Membran an die Geometrie einer ausgewählten Form anpassen.In a further embodiment it is provided that the membrane can be deformed by pressure, whereby the shape of the membrane can be limited by adjustable and replaceable elements. Due to the stretchability of the membrane and a pressure difference, the membrane can adapt to the geometry of a selected shape.
Um die Membran als Druckmembran einzusetzen wird entsprechender Druck aufgebracht, um die gewünschte Formgebung zu erreichen, welche zusätzlich durch einstellbare und austauschbare Elemente begrenzend unterstützt werden kann. Neben Überdruck-Verfahren können durch Einsatz der dehnfähigen beheizten Membran ebenso Vakuum-Tiefziehverfahren und Vakuum-Pressverfahren angewendet werden.In order to use the membrane as a pressure membrane, appropriate pressure is applied to achieve the desired shape, which can also be supported by adjustable and replaceable elements. In addition to overpressure processes, vacuum deep-drawing processes and vacuum pressing processes can also be used by using the expandable heated membrane.
In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Membran zur Begrenzung eines druckdichten Raumes verwendbar ist, wobei die Membran vorzugsweise mit einem Flansch- und Rahmensystem verwendet wird, um einen überdruckfähigen Raum zu definieren, sodass sich die Membran in Wirkrichtung des Überdrucks vorzugsweise an die Geometrie einer vordefinierten, jedoch austauschbaren Form eines Werkstückes flexibel anpasst. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass die Verformung der Membran durch einstellbare Führungssysteme und/oder austauschbare Elemente beispielsweise eine Dehnungsbegrenzung oder einen Formeinsatz durch Druckdifferenz definierbar oder voreinstellbar und somit zur gezielten Formgebung nutzbar ist.In an embodiment of the invention it is further provided that the membrane can be used to limit a pressure-tight space, the membrane preferably being used with a flange and frame system in order to define a pressurizable space, so that the membrane is preferably in the effective direction of the excess pressure Flexibly adapts the geometry of a predefined, but interchangeable shape of a workpiece. It is possible here that the deformation of the membrane can be defined or preset by means of a pressure difference using adjustable guide systems and/or interchangeable elements, for example an expansion limiter or a mold insert, and can therefore be used for targeted shaping.
Bei flächiger Ausprägung der Membran dient eine flanschförmige Randeinfassung in einem Rahmensystem der druckdichten Anbindung. Eine Seite der Membran bildet mit der Randeinfassung und dem Vorrichtungsgehäuse einen druckdichten, überdruckfähigen Raum, sodass die beheizbare Membran aufgrund der Dehnfähigkeit ballonartig aufblasbar ist. Die andere Seite der Vorrichtung, die Kavität der Anlage ist das Gegenstück, an dem sich die Membran im Überdruckzustand anschmiegt. Quasi starre Werkzeugeinleger können zur flexiblen Formgebung innerhalb der Kavität genutzt werden. Zwischen Werkzeugoberfläche und Membran befindet sich das zu verpressende und zu beheizende, thermisch konsolidierbare Material. Bei Prozesserfordernis kann der Überdruckraum mit kühler Druckluft zwecks Kühlung der Membran beziehungsweise des Bauteils durchströmt werden und die ebenfalls druckdichte Kavität der Anlage kann im geschlossenen Zustand evakuiert werden.If the membrane is flat, a flange-shaped edge in a frame system provides a pressure-tight connection. One side of the membrane forms a pressure-tight, overpressurable space with the edge border and the device housing, so that the heatable membrane can be inflated like a balloon due to its elasticity. The other side of the device, the cavity of the system, is the counterpart to which the membrane nestles in the overpressure state. Quasi-rigid tool inserts can be used for flexible shaping within the cavity. The thermally consolidable material to be pressed and heated is located between the tool surface and the membrane. If the process is required, cool compressed air can flow through the overpressure chamber to cool the membrane or component, and the cavity of the system, which is also pressure-tight, can be evacuated when closed.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Membran als Schlauch ausgebildet ist, wobei der Durchmesser durch Druckdifferenz und/oder Dehnungsbegrenzung und/oder ein Hubsystem regulierbar ist, wobei die schlauchförmige Membran durch ein innenliegendes Führungssystem in Form eines starren Rohres oder eines arretierbaren Multigelenksystem in einer gewünschten Form einstellbar und fixierbar ist. Die Integration eines flexibel einstellbaren Dornsystems zu einem bewickelbaren Konsolidier- und Formsystem stellt ein neuartiges Verfahren dar, um beispielsweise computergesteuert einstellbare Wickelkerne zur Herstellung individuell und mehrfach gekrümmter Rohrsysteme zu nutzen. Durch Nutzung der innovativen Technik können mehrfach gekrümmte Rohrkörper einteilig hergestellt werden, wodurch mehrteilige Rohrkörper in klassischer Segment-Bauweise ersetzt werden können. Durch die mögliche Teile-Reduktion kann vorteilhafterweise die Sicherheit erhöht und der Montageaufwand reduziert werden.In a further embodiment of the invention it is further provided that the membrane is designed as a hose, the diameter being adjustable by pressure difference and/or expansion limitation and/or a lifting system, the hose-shaped membrane being supported by an internal guide system in the form of a rigid tube or a lockable one Multi-joint system can be adjusted and fixed in a desired shape. The integration of a flexibly adjustable mandrel system into a wrapable consolidation and forming system represents a novel method, for example, to use computer-controlled adjustable winding cores to produce individually and multiple curved pipe systems. By using the innovative technology, multi-curved tubular bodies can be manufactured in one piece, which means that multi-part tubular bodies in classic segment construction can be replaced. The possible reduction in parts can advantageously increase safety and reduce assembly effort.
Bei schlauchförmiger Ausprägung der Membran wird die Elastizität einerseits dazu genutzt, den Schlauchdurchmesser durch Druckdifferenz und definierter Dehnungsbegrenzung zwecks Formgebung und Entformung eines Bauteils zu variieren. Anderseits wird die Elastizität benötigt, um Krümmungen des Schlauches beziehungsweise der Membran während der Einstellung zu ermöglichen. Der Außenmantel des Membranschlauches stellt die formgebende Werkzeugkontur dar und ist durch Fassungen an den Enden druckdicht verschlossen. Innerhalb des Membranschlauches befindet sich ein spiralförmiges Hubsystem, das unabhängig vom Dehnungszustand eine radiale Kopplung zwischen Membran und Führungsystem erzeugt und von einem Kühlmedium durchströmt werden kann. Das Führungssystem ist im Falle eines gerade herzustellenden Rohres, ein quasi starres Rohr und im Falle eines gekrümmten Rohres wird ein arrertierbares Multigelenksystem verwendet. Beispielsweise bei Wickelprozeßen zur Rohrherstellung entspricht dieses System dem Wickelkern oder Wickeldorn. Häufig wird dieser als „verlorener Kern“ bezeichnet, da zumeist nicht wiederverwendbar. Die hier beschriebene Erfindung kann nach Entformung des Bauteils in anderer oder gleicher geometrischer Form eingestellt und wiederverwendet werden.If the membrane is tubular, the elasticity is used on the one hand to vary the tube diameter through pressure difference and defined expansion limitation for the purpose of shaping and demoulding a component. On the other hand, the elasticity is required to allow for curvature of the hose or membrane during adjustment. The outer jacket of the membrane hose represents the shaping tool contour and is sealed pressure-tight by sockets at the ends. Inside the membrane hose there is a spiral-shaped lifting system which, regardless of the state of expansion, creates a radial coupling between the membrane and the guide system and can be flowed through by a cooling medium. In the case of a pipe to be manufactured, the guide system is a quasi-rigid pipe and in the case of a curved pipe, a lockable multi-joint system is used. For example, in winding processes for pipe production, this system corresponds to the winding core or winding mandrel. This is often referred to as a “lost core” because it is usually not reusable. The invention described here can be adjusted and reused in a different or the same geometric shape after the component has been removed from the mold.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran zusätzliche Kühlelemente oder eine Kühlfunktion aufweist. Die zusätzliche Integration eines Kühlsystems und Schaffung eines druckdichten und zusätzlich stauchbaren Membransystems mit einer Dehnungsbegrenzung ermöglicht eine vielfältige Anwendung. In Abhängigkeit der Erfordernisse des Produktionsprozeßes ist ein elastisch eingebettetes Kühlschlauchsystem in einer weiteren Ebene der Membran integrierbar, sodass ein variotherm gesteuerter Prozess mit erhöhter Taktrate ermöglicht wird.In a special embodiment of the invention it is provided that the membrane has additional cooling elements or a cooling function. The additional integration of a cooling system and the creation of a pressure-tight and additionally compressible membrane system with an expansion limit enables a wide range of applications. Depending on the requirements of the production process, an elastically embedded cooling hose system is integrated into another level of the membrane rable, so that a variothermally controlled process with increased clock speed is possible.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membran drapier- und dehnfähig mit einer Dehnbarkeit von mehr als 10 % ausgebildet ist, wobei die Membran mit Heizelementen aus elektrischen Leitern definiert verformbar ist. Die Dehnbarkeit ermöglicht eine individuelle Formgebung, sodass die beheizbare Membran für die unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden kann.In a further embodiment of the invention it is provided that the membrane is designed to be drapeable and stretchable with an extensibility of more than 10%, the membrane being deformable in a defined manner with heating elements made of electrical conductors. The stretchability allows for individual shaping, so that the heatable membrane can be used for a wide variety of applications.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Heizelement elektrisch isoliert in einer Matrix, beispielsweise Silikon, eingebettet ist, wobei das Heizelement durch Anlegen einer Spannung als Widerstandsheizung durch den elektrischen Stromfluss Wärme erzeugt und dadurch die Membran erwärmt.In a further embodiment of the invention it is provided that the heating element is embedded in an electrically insulated manner in a matrix, for example silicone, whereby the heating element generates heat by applying a voltage as resistance heating through the flow of electrical current and thereby heats the membrane.
Hierbei ist das Heizelement innerhalb der Druckmembran drapiert und kann beispielsweise in einer geometrischen Form angeordnet und dehnfähig sein, wobei das Heizelement in der Membran eingebunden ist und eine elektrische Kontaktierbarkeit besitzt.Here, the heating element is draped within the pressure membrane and can, for example, be arranged in a geometric shape and be expandable, the heating element being integrated into the membrane and having electrical contactability.
Durch die Möglichkeit, das Heizelement innerhalb der Druckmembran zu drapieren, können beliebige geometrische Formen gewählt werden, die zu einer Dehnfähigkeit der Membran mit Heizelement führen. Das einmalig drapierte Heizelement wird fest in der Membran eingebunden und mit dieser gekoppelt, sodass bei einer gedehnten Verformung der Membran das Heizelement dieser Dehnung folgen kann. Das Heizelement beziehungsweise dessen Leiter weist eine elektrische Kontaktierbarkeit auf, um diesen mit Strom zu beaufschlagen. Vorteilhafterweise erfolgt eine Kontaktierung des Leiters in einem dehnungsarmen Bereich der Membran, sodass eine Verkabelung oder ein Stecker als äußere Schnittstelle in der Membran integrierbar ist.Due to the possibility of draping the heating element within the pressure membrane, any geometric shapes can be selected, which lead to an elasticity of the membrane with heating element. The uniquely draped heating element is firmly integrated into the membrane and coupled to it, so that if the membrane is stretched, the heating element can follow this expansion. The heating element or its conductor has an electrical contact capability in order to apply current to it. Advantageously, the conductor is contacted in a low-stretch area of the membrane, so that cabling or a plug can be integrated into the membrane as an external interface.
Verglichen mit Heizsystemen, die zu flächigen Gebilden wie Vliesen, Matten, Netzen, Spiralen etc. drapiert werden, bietet die diskrete Leitertechnik diverse Vorteile in der Verfahrens- und Anwendungstechnik insbesondere hinsichtlich der Gestaltungsfreiheit. Das verwendete System bietet aufgrund der Dehnfähigkeit eine deutlich größere Formflexibilität verglichen mit typischen Heizsystemen. In der Wärmetechnik bildet die Wärmekapazität primär einen Faktor, der beim Aufheizen und Abkühlen eines Systems relevant ist. Je geringer die Wärmekapazität desto schneller führt die eingebrachte elektrische Energie zu einer Erwärmung des Systems. Dadurch, dass die beheizbare Membran direkt am Bauteil anliegt erfolgt eine Erwärmung insbesondere durch direkte Wärmeleitung, weshalb die beteiligten Wärmekapazitäten des gesamten Werkzeug- und Vorrichtungssystems vergleichsweise gering sind. Dieser Effekt führt zu einem effizienteren Aufheizen.Compared to heating systems that are draped into flat structures such as fleeces, mats, nets, spirals, etc., discrete conductor technology offers various advantages in process and application technology, particularly with regard to freedom of design. Due to its elasticity, the system used offers significantly greater shape flexibility compared to typical heating systems. In thermal engineering, heat capacity is primarily a factor that is relevant when heating and cooling down a system. The lower the heat capacity, the faster the electrical energy introduced causes the system to heat up. Because the heatable membrane rests directly on the component, heating occurs in particular through direct heat conduction, which is why the heat capacities involved in the entire tool and device system are comparatively low. This effect leads to more efficient heating.
In Abhängigkeit der Anwendungsanforderungen können optional Temperatursensoren in das Heizelement im Schritt des Vergusses integriert werden, sodass eine geregelte Temperatursteuerung nach Prozessvorgabe erfolgen kann. Durch die mögliche Ermittlung des temperaturabhängigen Widerstands des Leiters kann zusätzlich eine Validierung der Sensortemperatur erfolgen, so das eine sicherheitstechnische Redundanz des Heizsystems vorliegt.Depending on the application requirements, temperature sensors can optionally be integrated into the heating element in the casting step, so that regulated temperature control can take place according to process specifications. Through the possible determination of the temperature-dependent resistance of the conductor, a validation of the sensor temperature can also be carried out, so that there is safety redundancy of the heating system.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Heizelement wendelförmig, schleifenförmig oder sinusförmig mit wechselnden Ausrichtungen in der Matrix der Membran eingebettet ist.In a special embodiment of the invention it is provided that the heating element is embedded in the matrix of the membrane in a helical, loop-shaped or sinusoidal shape with changing orientations.
Durch eine wendelförmige, schleifenförmige oder sinusförmige Ausrichtung des Leiters im Heizelement wird die Elastizität der Membran gefördert, weil die Verlegungsart des Leiters die Möglichkeit bietet, dass bei einer Bewegung der Membran das Heizelement dieser Bewegung durch eine Streckung oder Stauchung des geschwungenen Leiters folgen kann.A helical, loop-shaped or sinusoidal alignment of the conductor in the heating element promotes the elasticity of the membrane because the way the conductor is laid offers the possibility that when the membrane moves, the heating element can follow this movement by stretching or compressing the curved conductor.
Die Herstellung der beheizbaren Membran basiert auf einer temporären Vorrichtung zur computergesteuerten Leiterablage und Fixierung des Leiters durch Einbettung in einen elastischen Träger mittels Verguß-, Infusions- oder Injektionstechniken. Besonderer Vorteil liegt in der direkten Einbettung des Leiters, woraus ein verbesserter Wärmeübergang in das Matrixmaterial resultiert. Die Gefahr von Delaminationen bei einem schichtförmigen Aufbau mit unterschiedlichen Materialien besteht hierdurch nicht.The production of the heatable membrane is based on a temporary device for computer-controlled conductor placement and fixation of the conductor by embedding it in an elastic support using casting, infusion or injection techniques. A particular advantage lies in the direct embedding of the conductor, which results in improved heat transfer into the matrix material. This means there is no risk of delamination in a layered structure with different materials.
Die erfindungsgemäße Herstellung des dehnfähigen Heizelements basiert auf einer individuell einstellbaren Pin-Form, in der jeder Pin einen Halte- beziehungsweise Wendepunkt des zu drapierenden Leiters darstellt. Innerhalb des Heizfeldes liegt der Leiter zwischen den Pinnen frei, sodass im Falle eines Vergusses, einer Injektion oder Infusion mit einer fließfähigen und aushärtbaren Matrix der Leiter homogen umhüllt wird und mit der ausgehärteten Matrix gekoppelt ist. Das Ziel besteht darin, eine Umhüllung zu schaffen, deren Dicke den Durchmesser des Leiters übersteigt, sodass eine vollständige Umhüllung und Isolation des Leiters entsteht. Die nach Erhärtung und Entformung des so hergestellten Heizelementes verbliebenen Pin-Löcher werden bei der Membranherstellung und elektrischen Anbindung der Heizelemente mit dem Matrixwerkstoff versiegelt, sodass eine möglichst homogene Membran aus Leiter und Matrix vorliegt. Zur Kontaktierung des Leiters können Steckverbindungen eingebracht oder hitzebeständige Kabel aus der Membran herausgeführt werden.The production of the expandable heating element according to the invention is based on an individually adjustable pin shape, in which each pin represents a holding or turning point of the conductor to be draped. Within the heating field, the conductor is exposed between the pins, so that in the event of a potting, injection or infusion with a flowable and curable matrix, the conductor is homogeneously encased and coupled to the cured matrix. The goal is to create an enclosure whose thickness exceeds the diameter of the conductor, providing complete enclosure and insulation of the conductor. The pin holes remaining after the heating element produced in this way has hardened and removed from the mold are sealed with the matrix material during the membrane production and electrical connection of the heating elements, so that the membrane is as homogeneous as possible consisting of conductor and matrix. To contact the conductor, plug connections can be inserted or heat-resistant cables can be led out of the membrane.
In weiterer besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Heizelement aus diskreten draht-, litzen-, faser- oder rovingartigen elektrischen Leitern besteht, und/oder dass der Leiter aus mehreren Einzeladern oder Filamentbündeln besteht. Von Vorteil ist hierbei, wenn der Leiter einen konstanten Querschnitt aufweist, sodass eine gleichmäßige Erwärmung des Leiters beziehungsweise der Membran erfolgt.In a further special embodiment of the invention it is provided that the heating element consists of discrete wire-, strand-, fiber- or roving-like electrical conductors, and/or that the conductor consists of several individual wires or filament bundles. It is advantageous here if the conductor has a constant cross section, so that the conductor or the membrane is heated evenly.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leiter in einer Matrix eingebettet ist, welche elektrisch nicht leitfähig, temperaturbeständig, stauchbar, dehnbar und druckdicht ist, wobei der Leiter beispielsweise in einer Polymermatrix, vorzugsweise aus Silikon eingebettet ist. Der Leiter weist somit eine homogene umhüllende Versiegelung mit dem Matrixmaterial auf, um die erforderliche elektrische Isolierung zu gewährleisten.In a further embodiment of the invention it is provided that the conductor is embedded in a matrix which is electrically non-conductive, temperature-resistant, compressible, stretchable and pressure-tight, the conductor being embedded, for example, in a polymer matrix, preferably made of silicone. The conductor thus has a homogeneous enveloping seal with the matrix material to ensure the required electrical insulation.
Der elektrische Leiter ist draht- oder bündelartig (z.B. Litze, Roving) ausgeführt und weist vorzugsweise einen konstanten Leiterquerschnitt auf. Die Dehnfähigkeit des in der Membran integrierten elektrischen Leiters resultiert aus der geometrisch definierten Drapierung des Leiters. Das Layout der Drapierung mit einer wellen- oder mäanderähnlichen Ausprägung und Einbettung in einem elastischen Träger, beispielsweise als Heizelement in der Membran bewirkt im Falle einer Dehnung- oder Stauchung der Membran, dass das Layout der innenliegenden Leiter mit verformt wird, ohne dass sich dadurch die Länge des Leiters oder der Widerstand in signifikanter Weise ändert. Die erreichbare Elastizität ist primär durch die drapierte Form des elektrischen Leiters und das Material der den Leiter umhüllenden Membran definiert. Je nach Layout können uni- und biaxale Dehnungen und Stauchungen ermöglicht werden, wie sie bei einer dreidimensionalen Verformung der Membran primär entstehen. Die elektrische Isolation des drapierten Leiters erfolgt durch Einbettung in einer isolierenden Matrix, vorzugsweise aus Silikon.The electrical conductor is designed like a wire or bundle (e.g. stranded wire, roving) and preferably has a constant conductor cross section. The elasticity of the electrical conductor integrated in the membrane results from the geometrically defined draping of the conductor. The layout of the draping with a wave or meander-like shape and embedding in an elastic support, for example as a heating element in the membrane, causes the layout of the internal conductors to be deformed in the event of an expansion or compression of the membrane, without this causing the Length of the conductor or the resistance changes in a significant way. The achievable elasticity is primarily defined by the draped shape of the electrical conductor and the material of the membrane surrounding the conductor. Depending on the layout, uniaxial and biaxial expansions and compressions can be made possible, which primarily occur when the membrane is deformed in three dimensions. The electrical insulation of the draped conductor is carried out by embedding it in an insulating matrix, preferably made of silicone.
In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Leiter des Heizelements einen Durchmesser zwischen 0,1 mm bis 5 mm aufweist, und dass das Heizelement eine Flächenheizleistung von 1 W/dm2 bis 1 kW/dm2 aufweist.In an embodiment of the invention it is further provided that the conductor of the heating element has a diameter between 0.1 mm and 5 mm, and that the heating element has a surface heating output of 1 W/dm 2 to 1 kW/dm 2 .
Durch eine Versorgung des Leiters mit Gleich- oder Wechselspannung wird der in der Membran isolierte Leiter zum Widerstandsheizelement, das in Abhängigkeit des individuellen Gesamtwiderstands des Leiters beziehungsweise dessen Länge, bei der Herstellung eingestellt wird. Über die Stromaufnahme wird die Flächenheizleistung individuell reguliert. Der Widerstand des Heizelementes richtet sich primär nach der Art des Leiters, der Leitfähigkeit, dem Durchmesser beziehungsweise Querschnitt des Layouts und der Länge sowie des Materials des Leiters. Innerhalb einer Membran können mehrere dieser Heizelemente eingesetzt und verbunden werden. Es besteht die Möglichkeit eines modularen Aufbaus durch elektrische Parallel- oder Reihenschaltung von beispielsweise mehreren Heizelementen, sodass eine Membran entweder mit einem einzigen individuellen oder mehreren Heizelementen ausgestattet sein kann.By supplying the conductor with direct or alternating voltage, the conductor insulated in the membrane becomes a resistance heating element, which is adjusted during production depending on the individual total resistance of the conductor or its length. The surface heating output is individually regulated via the power consumption. The resistance of the heating element depends primarily on the type of conductor, the conductivity, the diameter or cross section of the layout and the length and material of the conductor. Several of these heating elements can be used and connected within a membrane. There is the possibility of a modular design by electrically connecting several heating elements in parallel or series, for example, so that a membrane can be equipped with either a single individual heating element or several heating elements.
Einen großen Faktor in der eingesetzten Wärmetechnik stellt der Wärmeübergang dar. Dies ist der Übergang zwischen dem Leiter und dem System, wie beispielsweise eine Polymermatrix. Der sogenannte Wärmeübergangskoeffizient bestimmt die Güte der Übertragung der Wärmeenergie des Leiters. Dabei hat die Oberfläche des Leiters einen signifikanten Einfluss. Mit größerer Oberfläche ergibt sich ein besserer Wärmeübergang. Durch die Verwendung eines Bündels aus mehreren Leitern, die zu einer Litze, einem Roving o.ä. verarbeitet werden, wird die Oberfläche gegenüber Systemen mit massiven Leitern gleichen Querschnitts maximiert. Dieser Effekt führt zu einer Verbesserung des Wärmeeintrags und dementsprechend zu einem geringeren Energiebedarf.A major factor in the thermal technology used is heat transfer. This is the transition between the conductor and the system, such as a polymer matrix. The so-called heat transfer coefficient determines the quality of the conductor's thermal energy transfer. The surface of the conductor has a significant influence. A larger surface area results in better heat transfer. By using a bundle of several conductors, which are processed into a strand, a roving or similar, the surface area is maximized compared to systems with solid conductors of the same cross-section. This effect leads to an improvement in heat input and, accordingly, to lower energy requirements.
Die mögliche Verwendung eines diskreten metallischen Leiters ermöglicht den Einsatz genormter Elektrotechnik, sodass der Kontaktbereich langzeitstabil ist und den Widerstand des Heizkreises nicht negativ beeinflusst. Auch ist eine Kontaktierung außerhalb des eigentlichen Heiz- beziehungsweise Dehnungsfeldes möglich, wodurch diese im Betriebszustand der Membran lastfrei ist.The possible use of a discrete metallic conductor enables the use of standardized electrical engineering so that the contact area is stable over the long term and does not negatively influence the resistance of the heating circuit. Contacting outside the actual heating or expansion field is also possible, which means that the membrane is load-free when the membrane is in operation.
Die besonderen Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, dass eine flexible einstellbare Formgebung für thermisch konsolidierbare Materialien zur Verfügung gestellt wird. Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Membran, insbesondere Druckmembran, in die ein Heizelement integriert ist, welches elastisch und flexibel in der Membran eingebettet ist. Hierdurch kann die Membran vielseitig verwendet werden, um entsprechende Bauteile formgebend herzustellen, wobei sich das Heizelement mit der Membran verformen kann. Hierdurch wird erreicht, dass ein gleichmäßiger Wärmeeintrag und Anpressdruck in das zu konsolidierende Material eingebracht wird. Bei besonderer Anwendung kann zusätzlich ein Kühlsystem in der Membran integriert sein, wodurch insbesondere höhere Taktraten beim Herstellen der geformten und thermisch konsolidierten Materialien ermöglicht werden.The particular advantages of the present invention are that a flexible, adjustable shape is provided for thermally consolidable materials. The device essentially consists of a membrane, in particular a pressure membrane, into which a heating element is integrated, which is embedded elastically and flexibly in the membrane. As a result, the membrane can be used in a variety of ways to produce corresponding components, whereby the heating element can deform with the membrane. This ensures that a uniform heat input and contact pressure is introduced into the material to be consolidated. For special applications, a cooling system can also be integrated into the membrane, which in particular enables higher cycle rates when producing the shaped and thermally consolidated materials.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Es zeigt
-
1 in einer schematischen Ansicht die beispielhafte Verlegung und Fixierung des Leiters im Heizelement, -
2 in einer schematischen und geschnittenen Seitenansicht eine Membran mit Heizelement, -
3 in einer schematischen Ansicht eine Vorrichtung zur Bearbeitung thermisch konsolidierbarer Materialien im geöffneten Zustand und -
4 in einer schematischen Ansicht die Vorrichtung gemäß3 im geschlossenen Zustand und -
5 in einer schematischen Schnittdarstellung die drucklose, multigelenkige, beheizbare Schlauchmembran-Vorrichtung links und mit durch Überdruck vergrößertem Membrandurchmesser rechts.
-
1 in a schematic view the exemplary laying and fixing of the conductor in the heating element, -
2 in a schematic and sectioned side view a membrane with heating element, -
3 in a schematic view a device for processing thermally consolidable materials in the open state and -
4 in a schematic view the device according to3 in the closed state and -
5 In a schematic sectional view, the unpressurized, multi-jointed, heatable tubular membrane device on the left and with the membrane diameter increased due to excess pressure on the right.
Die beiden aufgezeigten Verlegeprinzipien sind nur beispielhaft anzusehen, sicherlich können weitere Verlegeprinzipien der Leiter 3 gewählt werden, die eine Elastizität der Membran 1 nicht beeinflussen und zudem eine elastische Verlegung der Membran 1 und des Heizelementes 2 beziehungsweise der Leiter 3 zu ermöglichen. Bei den gezeigten Verlegeprinzipien sind im Weiteren die Enden des Leiters 3 aus dem Heizelement 2 herausgeführt, um eine Kontaktierung des Leiters 3 zu ermöglichen. In der schematischen Ansicht ist in der linksseitigen Darstellung durch Pfeile 11 die Dehnungsrichtung angegeben und in der rechtsseitigen Darstellung durch Pfeile 12. Aus den Pfeilen 11 wird ersichtlich, dass eine ähnliche Dehnbarkeit in beiden Erstreckungsrichtungen möglich ist, während bei dem Prinzip gemäß der rechten Darstellung die hauptsächliche Dehnbarkeit quer zur mäanderförmigen Verlegung der Leiterbahnen des Leiters 3 verläuft.The two laying principles shown are only to be viewed as examples; further laying principles of the
Der Vorteil einer solchen Membran 1 besteht darin, dass eine innerhalb der Dehnfähigkeit beliebige, dreidimensionale Formgebung zum Beispiel bei einer flächigen Membran 1, aber ebenso bei einer schlauchförmigen Ausführung möglich ist. Zusätzlich und optional zu dem Leiter 3 ist ein Temperatursensor 5 in der Matrix der Membran 1 eingebettet, welcher ebenfalls über eine elektrische Kontaktierung 6 verfügt, um das Temperatursignal beziehungsweise das Spannungssignal weiterzuleiten. Im Randbereich weist die Membran 1 Durchbrüche 7 und 8 auf, welche zur Durchführung entsprechender Flanschverschraubungen in der Vorrichtung vorgesehen sind. Weitere Flanschformen wie selbstdichtende Nut-Feder Paare können anstelle der Durchbrüche eingebracht werden. Der Übergang zwischen Leiter 3 beziehungsweise Heizelement 2 und dem elektrischen Anschluss kann sich innerhalb der Membran 1 befinden. Eine Kontaktierung 4 oder 6 ist eine trennbare Schnittstelle zum Beispiel in Form eines 2-poligen Steckers oder eines hitzebeständigen Kabels.The advantage of such a membrane 1 is that any three-dimensional shape within the elasticity is possible, for example with a flat membrane 1, but also with a tubular design. In addition and optionally to the
Das Heizelement 37 ist, wie beispielsweise in
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Membranmembrane
- 22
- HeizelementHeating element
- 33
- LeiterDirector
- 44
- KontaktierungContacting
- 55
- TemperatursensorTemperature sensor
- 66
- KontaktierungContacting
- 77
- Durchbruchbreakthrough
- 88th
- Durchbruchbreakthrough
- 1010
- PinPin code
- 1111
- PfeileArrows
- 1212
- PfeileArrows
- 1515
- Vorrichtungcontraption
- 1616
- MembranflanschMembrane flange
- 1717
- RahmenFrame
- 1818
- DruckraumPressure room
- 1919
- Druck-PfeilePressure arrows
- 2020
- Thermisch konsolidierbares MaterialThermally consolidable material
- 2121
- Kavitätcavity
- 2222
- FormeinsatzMold insert
- 2323
- DruckluftanschlüsseCompressed air connections
- 2424
- VakuumanschlussVacuum connection
- 2525
- RahmenFrame
- 2626
- VerfahrrichtungTravel direction
- 2727
- Verschraubungscrew connection
- 2828
- HakenHook
- 3535
- Membranmembrane
- 3636
- Vorrichtungcontraption
- 3737
- HeizelementHeating element
- 3838
- LeiterDirector
- 3939
- KontaktierungContacting
- 4040
- RahmenFrame
- 4141
- MembranflanschMembrane flange
- 4242
- DruckraumPressure room
- 4343
- DruckluftanschlussCompressed air connection
- 4444
- FührungssystemManagement system
- 4545
- HubsystemLifting system
- 4646
- DruckraumPressure room
- 4747
- DehnungsbegrenzungStretch limitation
- 4949
- DruckluftanschlussCompressed air connection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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