DE102013226018A1 - Reusable core for fiber composite components of complex geometry - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wiederverwendbaren Kerns für die Herstellung von Faserverbundbauteilen. Zur Herstellung des Kerns wird eine Abfolge eines elastischen Hüllmaterial und eines Kernmaterials, das bei geringen Temperaturen fließfähig ist, auf eine Kernstruktur aufgebracht. Bei dem so hergestellten erfindungsgemäßen Kern ist das Kernmaterial vollständig vom elastischen Hüllmaterial eingeschlossen. Nach dem Entfernen der Kernstruktur weist der Kern weiter eine hohlförmige Gestalt auf. Mit geschmolzenem Kernmaterial ist der Kern für die Faserablage in eine komplexe Geometrie ur- und umformbar und zur Verwendung als Presssack ist der Kern expandierbar ausgestaltet.The invention relates to a method for producing a reusable core for the production of fiber composite components. To produce the core, a sequence of elastic shell material and a core material which is flowable at low temperatures is applied to a core structure. In the core of the invention thus produced, the core material is completely enclosed by the elastic wrapping material. After removing the core structure, the core further has a hollow shape. With molten core material, the core for the fiber deposit in a complex geometry and urformable and for use as a press bag, the core is designed expandable.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wiederverwendbaren Kerns für Faserverbundbauteile komplexer Geometrie sowie einen wiederverwendbaren, ur- und umformbaren Kern. Weiterhin Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines wiederverwendbaren, ur- und umformbaren Kerns bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen, insbesondere von Faserverbundbauteilen mit komplexer, insbesondere hinterschnittiger, Geometrie und/oder nicht kreisförmigem Querschnitt.The invention relates to a method for producing a reusable core for fiber composite components of complex geometry and a reusable, ur and formable core. The invention further relates to the use of a reusable, ur- and formable core in the manufacture of fiber composite components, in particular of fiber composite components with complex, in particular undercut, geometry and / or non-circular cross section.
Für die Herstellung von hohlen Faserverbundbauteilen werden bislang vor allem zwei Kategorien von Kernen genutzt, Blaskerne und formstabile Kerne.For the production of hollow fiber composite components, two categories of cores, blown cores and rigid cores have been used.
Blaskerne erfüllen in der Regel eine Doppelfunktion. Zum einen dienen sie der geordneten und endkonturnahen Ablage von Fasern während des Preform-Prozesses, also bspw. beim Flechten oder Wickeln. Zum anderen der Formgebung und dem Verpressen des Faserverbundbauteils während des Konsolidierungsprozesses, bspw. um Lufteinschlüsse zu entfernen oder ein gewünschtes Faser-Matrix-Verhältnis einzustellen. Zur Erfüllung der zweiten Funktion sind die Kerne zwingend druck- und formstabil und vorzugsweise expandierbar ausgestaltet. Um die Formstabilität der Kerne zu gewährleisten müssen diese selbst hohlförmig ausgestaltet und kontinuierlich mit einem erhöhten Innendruck beaufschlagt werden. Diese macht spezielle Faserablage- und Formgebungswerkzeuge erforderlich. Zudem sind nur Faserverbundbauteile mit kreisförmigem Querschnitt mit ausreichender Querschnittstreue umsetzbar.Blaskerne usually fulfill a dual function. On the one hand, they serve the orderly and near net shape deposition of fibers during the preform process, so for example when braiding or winding. On the other hand, the shaping and the compression of the fiber composite component during the consolidation process, for example. To remove air pockets or set a desired fiber-to-matrix ratio. To fulfill the second function, the cores are compellingly pressure and dimensionally stable and preferably designed to be expandable. In order to ensure the dimensional stability of the cores, they themselves have to be hollow and continuously subjected to an increased internal pressure. This requires special fiber deposition and shaping tools. In addition, only fiber composite components with circular cross-section with sufficient cross-section fidelity can be implemented.
Hohle Faserverbundbauteile mit nicht kreisförmigen Querschnitt und/oder komplexen Geometrien sind alternativ durch die Verwendung formstabiler, „verlorener Kerne“ herstellbar. Diese werden durch Fräsen, Schäumen oder Gießen als Negativ des herzustellenden Faserverbundbauteils hergestellt, wobei die Kernbildung zum Teil direkt im Konsolidierungswerkzeug erfolgt. Das konsolidierte Faserverbundbauteil wird vom Kern getrennt, indem dieser thermisch, chemisch oder mechanisch aufgelöst wird. Somit ist der Kern für die Fertigung weiterer Faserverbundbauteile verloren.Hollow fiber composite components with non-circular cross-section and / or complex geometries are alternatively produced by the use of dimensionally stable, "lost cores". These are produced by milling, foaming or casting as a negative of the fiber composite component to be produced, with the core formation taking place partly directly in the consolidation tool. The consolidated fiber composite component is separated from the core by dissolving it thermally, chemically or mechanically. Thus, the core for the production of further fiber composite components is lost.
Zur Herstellung von hohlen Faserverbundbauteilen mit kreisförmigem Querschnitt werden daher bevorzugt wiederverwendbare Blaskerne verwendet. Diese werden zunächst durch Erhöhung des Innendrucks in einen formstabilen Zustand überführt, dann mit Fasern endkonturnah belegt und anschließend, unter Anpassung des Innendrucks in einem geschlossenen Formwerkzeug konsolidiert. Dabei lassen sich hinterschnittige und nicht hinterschnittige Bauteilformen mit kreisförmigem Querschnitt realisieren. Ein unter erhöhtem Innendruck formstabiler Blaskern mit mehreren einzeln befüll- und expandierbaren Kompartiments ist bspw. aus der
Ein Verfahren zur Herstellung eines Blaskerns ist in der
Zur Herstellung hohler Faserverbundbauteile mit nicht kreisförmigen Querschnitten und/oder komplexen Geometrien, sind bekannte Blasschläuche nicht geeignet. Zwar lassen sich diese durch Erhöhung des Blasschlauchinnendrucks in einen formstabilen Zustand expandieren, die Querschnittstreue des Kerns ist dabei jedoch unbefriedigend. Unter erhöhtem Innendruck strebt der Blasschlauch allseits einem runden Querschnitt als stabilem Zustand entgegen, wobei es insbesondere an Körperkanten des Kerns zu Rundungen kommt.For the production of hollow fiber composite components with non-circular cross-sections and / or complex geometries, known blown hoses are not suitable. Although these can be expanded by increasing the Blasschlauchinnendrucks in a dimensionally stable state, but the cross-section fidelity of the core is unsatisfactory. Under increased internal pressure of the bladder tends on all sides a round cross-section as a stable state against, in particular comes to body edges of the core to curves.
Formstabile Kerne aus einem festen Material sind prinzipiell zur Herstellung jeder Geometrie geeignet, sind jedoch bei hinterschnittiger Geometrie zwangsläufig als verlorene Kerne ausgestaltet. In der Regel ist auch die Geometrie nicht hinterschnittiger Kerne nicht veränderbar. Somit muss für jedes einzelne Bauteil ein eigener Kern erzeugt werden, wodurch hohe Material und Arbeitskosten entstehen.Dimensionally stable cores of a solid material are in principle suitable for the production of any geometry, but are inevitably designed as lost cores in undercut geometry. In general, the geometry of non-undercut cores is not changeable. Thus, a separate core must be produced for each individual component, which results in high material and labor costs.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung eines wiederverwendbaren, form- und druckstabilen Kerns für die Herstellung von Faserverbundbauteilen bereitzustellen. Der Kern soll dabei die Erzeugung hohler Faserverbundbauteile beliebigen, insbesondere nicht kreisförmigen, Querschnitts und/oder komplexer Geometrie, insbesondere hinterschnittiger Geometrie, ermöglichen. Der Kern soll weiterhin zerstörungsfrei und ohne Beschädigungen am Faserverbundbauteil entformbar sowie wiederverwendbar sein. Weiterhin soll der Kern die Erzeugung von Faserverbundbauteilen mit optimiertem Faser-Matrix-Verhältnis und geringem Lufteinschluss ermöglichen. Durch die Verwendung des Kerns soll eine zeit- und materialsparende und somit wirtschaftliche Herstellung von hohlförmigen Faserverbundbauteilen möglich sein.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a method for producing a reusable, form and pressure stable core for the production of fiber composite components. The core is thereby intended to enable the production of hollow fiber composite components of any desired, in particular non-circular, cross-section and / or complex geometry, in particular undercut geometry. The core should continue to be demoulding and reusable without damage to the fiber composite component. Furthermore, the core should enable the production of fiber composite components with optimized fiber-matrix ratio and low air entrapment. By using the core, a time-saving and material-saving and thus economical production of hollow fiber composite components should be possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1, 8 und 14. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.This object is achieved by the features of the
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines wiederverwendbaren Kerns, aufweisend die folgenden Verfahrensschritte
- a. Aufbringen einer Lage eines ersten flexiblen Hüllmaterials der Grenztemperatur T1 auf eine Kernstruktur,
- b. Aufbringen einer Lage eines Kernmaterials der Erweichungstemperatur T2 < T1 auf die Lage des ersten flexiblen Hüllmaterials,
- c. Aufbringen einer weiteren Lage eines zweiten flexiblen Hüllmaterials der Grenztemperatur T3 > T2 auf die Lage des Kernmaterials, wobei
- i. die Hüllmateriallagen zumindest einen Querschnitt der Kernstruktur vollständig umschließen und
- ii. das Kernmaterial zwischen den Hüllmateriallagen angeordnet wird.
- a. Applying a layer of a first flexible shell material of the limit temperature T 1 to a core structure,
- b. Applying a layer of a core material of the softening temperature T 2 <T 1 to the layer of the first flexible wrapping material,
- c. Applying a further layer of a second flexible shell material of the boundary temperature T 3 > T 2 on the position of the core material, wherein
- i. the Hüllmateriallagen completely enclose at least a cross section of the core structure and
- ii. the core material is placed between the Hüllmateriallagen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines wiederverwendbaren, form- und druckstabilen Kerns wird eine Kernstruktur benötigt, auf der die den Kern konstituierenden Schichten aufgebracht werden. Diese dient somit ausschließlich der Formgebung des wiederverwendbaren Kerns, erfüllt bei der folgenden Erzeugung eines Faserverbundbauteils jedoch keine Funktion. Die Kernstruktur ist bevorzugt als räumlicher Körper ausgestaltet, so dass eine die Kernstruktur umschließende Lage vorteilhaft hohlförmig ausgebildet ist und mindestens einen Querschnitt umschließt. Weiterhin bevorzugt weist die Kernstruktur mehr als eine Querschnittsform auf, wobei die Übergänge zwischen verschiedenen Querschnittsformen besonders bevorzugt stetig verlaufen. Besonders bevorzugt ist die Kernstruktur längserstreckt und/oder zylinderförmig ausgebildet.In the process according to the invention for producing a reusable, dimensionally stable and pressure-stable core, a core structure is needed on which the layers constituting the core are applied. This thus serves only the shape of the reusable core, but does not fulfill any function in the subsequent production of a fiber composite component. The core structure is preferably configured as a spatial body, so that a layer surrounding the core structure is advantageously hollow and encloses at least one cross section. Further preferably, the core structure has more than one cross-sectional shape, wherein the transitions between different cross-sectional shapes particularly preferably run continuously. Particularly preferably, the core structure is elongated and / or cylindrical.
Auf der Kernstruktur wird im ersten Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest eine Lage eines ersten flexiblen Hüllmaterials aufgebracht, wobei zumindest ein Querschnitt der Kernstruktur vollständig umschlossen wird. Im Falle einer längserstreckten zylinderförmigen Kernstruktur ist bevorzugt die Mantelfläche des Zylinders zumindest abschnittsweise entlang des gesamten Umfangs von der Lage aus erstem flexiblem Hüllmaterial umschlossen. Besonders bevorzugt ist die Mantelfläche vollständig vom ersten flexiblen Hüllmaterial umschlossen Das erste flexible Hüllmaterial weist eine Grenztemperatur T1 auf. Handelt es sich bei dem ersten flexiblen Hüllmaterial um einen Thermoplast, bezeichnet die Grenztemperatur dessen Erweichungs- oder Schmelztemperatur, insbesondere die Temperatur, ab der eine bleibende Änderung der Form oder der mechanischen Eigenschaften des Materials zu erwarten ist. Ist das erste flexible Hüllmaterial duroplastisch ist die Grenztemperatur die Zersetzungstemperatur.At least one layer of a first flexible shell material is applied to the core structure in the first step (a) of the method according to the invention, wherein at least one cross section of the core structure is completely enclosed. In the case of an elongated cylindrical core structure, the lateral surface of the cylinder is preferably at least partially enclosed along the entire circumference by the layer of first flexible shell material. Particularly preferably, the lateral surface is completely enclosed by the first flexible shell material. The first flexible shell material has a limit temperature T 1 . If the first flexible shell material is a thermoplastic, the limit temperature designates its softening or melting temperature, in particular the temperature at which a lasting change in the shape or the mechanical properties of the material is to be expected. If the first flexible sheath material is thermosetting, the limit temperature is the decomposition temperature.
Unterhalb ihrer Grenztemperatur ist die Lage aus erstem Hüllmaterial flexibel und reißfest und weist insbesondere eine Bruchdehnung von über 150%, bevorzugt von über 250% und besonders bevorzugt über 500% auf.Below its limit temperature, the layer of first shell material is flexible and tear-resistant and in particular has an elongation at break of more than 150%, preferably of more than 250% and particularly preferably more than 500%.
Auf die Lage des ersten flexiblen Hüllmaterials wird im zweiten Schritt (b) des Verfahrens zumindest eine Lage aus Kernmaterial aufgebracht, wobei das Kernmaterial die Lage aus einem ersten flexiblen Hüllmaterial zumindest abschnittsweise vollständig bedeckt. Im Fall einer längserstreckten zylinderförmigen Kernstruktur wird die erste Lage bevorzugt vollständig bedeckt oder so bedeckt, dass die Lage aus erstem Hüllmaterial beidseitig axial über das Kernmaterial übersteht. Das Kernmaterial weist eine Erweichungstemperatur T2 auf, die kleiner ist als die Grenztemperatur T1 des ersten flexiblen Hüllmaterials. Die Erweichungstemperatur bezeichnet dabei die Glasübergangstemperatur oder die Schmelztemperatur des Kernmaterials. Unterhalb ihrer Erweichungstemperatur ist die Lage aus Kernmaterial druck- und formstabil gegenüber Drücken, die gewöhnlich bei der Ablage von Verstärkungsfasern und aufgrund des Eigengewichts des Kerns auftreten. Im Folgenden wird unter druckstabil, die Formstabilität unter Kräften, wie sie bei gängigen Faserablageprozessen üblicherweise auftreten, verstanden. Oberhalb ihrer Erweichungstemperatur ist das Kernmaterial fließfähig. Bevorzugt sind Glasübergangs- und Schmelztemperatur des Kernmaterials kleiner als die Grenztemperatur T1.At least one layer of core material is applied to the layer of the first flexible shell material in the second step (b) of the method, wherein the core material completely covers the layer of a first flexible shell material at least in sections. In the case of an elongated cylindrical core structure, the first layer is preferably completely covered or covered in such a way that the layer of first wrapping material protrudes axially over the core material on both sides. The core material has a softening temperature T 2 which is less than the limit temperature T 1 of the first flexible shell material. The softening temperature refers to the glass transition temperature or the melting temperature of the core material. Below its softening temperature, the core material layer is pressure and dimensionally stable to pressures commonly encountered in the deposition of reinforcing fibers and the inherent weight of the core. The following is under pressure stable, the dimensional stability under forces, as they usually occur in common fiber deposition processes understood. Above its softening temperature, the core material is flowable. The glass transition temperature and melting temperature of the core material are preferably smaller than the limit temperature T 1 .
Auf die Lage Kernmaterial wird im dritten Schritt (c) des Verfahrens zumindest eine Lage eines zweiten flexiblen Hüllmaterials aufgebracht. Bevorzugt wird diese Lage darüber hinaus in einem Bereich der Kernstruktur aufgebracht, der von der Lage ersten Hüllmaterials aber nicht vom Kernmaterial bedeckt ist. Im Fall einer längserstreckten zylinderförmigen Kernstruktur wird bevorzugt das Kernmaterial und die beidseitigen axialen Überstände aus erstem Hüllmaterials ummantelt. Das zweite flexible Hüllmaterial weist eine Grenztemperatur T3 auf, die größer ist als die Erweichungstemperatur T2 des Kernmaterials, bevorzugt größer als dessen Glasübergangs- und die Schmelztemperatur. Unterhalb ihrer Grenztemperatur ist die Lage aus zweitem Hüllmaterial flexibel und reißfest und weist insbesondere eine Bruchdehnung von über 150%, bevorzugt von über 250% und besonders bevorzugt über 500% auf.At least one layer of a second flexible covering material is applied to the core material layer in the third step (c) of the method. Moreover, this layer is preferably applied in a region of the core structure which is covered by the layer of first shell material but not by the core material. In the case of an elongated cylindrical core structure, the core material and the axial projections on both sides are preferably encased in first shell material. The second flexible shell material has a limit temperature T 3 which is greater than the softening temperature T 2 of the core material, preferably greater than its glass transition temperature and the melting temperature. Below its limit temperature, the layer of second wrapping material is flexible and tear-resistant and in particular has an elongation at break of more than 150%, preferably of more than 250% and particularly preferably more than 500%.
Erfindungsgemäß umschließen die Hüllmateriallagen zumindest einen Abschnitt der Kernstruktur vollständig. Zwischen den Hüllmateriallagen ist das Kernmaterial angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hüllmateriallagen so miteinander verbunden, dass das Kernmaterial vollständig von den Hüllmateriallagen eingeschlossen ist und das von diesen begrenzte Volumen nicht verlassen kann. According to the invention, the cladding material layers completely surround at least a portion of the core structure. Between the Hüllmateriallagen the core material is arranged. In a preferred embodiment, the cladding material layers are bonded together such that the core material is completely enclosed by the cladding material layers and can not leave the limited volume thereof.
Nach dem Auftrag der zweiten bzw. letzten Schicht Hüllmaterial und dem Erstarren der Hüllmateriallagen wird die Kernstruktur bei einer Temperatur kleiner T1 und kleiner T3 entfernt. Somit verbleibt die zuvor auf der Kernstruktur aufgebrachte, mindestens dreilagige Abfolge aus Hüll- und Kernmaterial in einer hohlförmigen Konfiguration. Zumindest die beiden Lagen aus flexiblem Hüllmaterial befinden sich bei der Entfernung der Kernstruktur im festem Zustand. Weist die Kernstruktur eine nicht hinterschnittige Geometrie auf, wird sie bevorzugt aus dem Verbund der hohlförmigen bzw. dem erfindungsgemäßen Kern herausgezogen. Für eine hinterschnittige Geometrie wird bevorzugt eine Kernstruktur aus einem chemisch, thermisch (bei einer Temperatur T < T1,3) oder mechanisch lösbarem Material verwendet. Diese Kernstruktur wird im gelösten Zustand aus dem hohlförmigen Kern entfernt. Die Entfernung der Kernstruktur erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur T < T2, insbesondere wenn die Hüllmateriallagen nicht stoffschlüssig miteinander verbunden sind.After the application of the second or last layer of shell material and the solidification of the skin layers, the core structure is removed at a temperature less than T 1 and smaller than T 3 . Thus, the previously deposited on the core structure, at least three-layer sequence of sheath and core material remains in a hollow configuration. At least the two layers of flexible shell material are in the removal of the core structure in the solid state. If the core structure has a geometry which is not undercut, it is preferably pulled out of the composite of the hollow or the core according to the invention. For an undercut geometry, a core structure of a chemical, thermal (at a temperature T <T 1.3 ) or mechanically releasable material is preferably used. This core structure is removed from the hollow core in the dissolved state. The removal of the core structure is preferably carried out at a temperature T <T 2 , in particular if the Hüllmateriallagen are not materially connected to each other.
Vorteilhaft wird somit ein wiederverwendbarer Kern erzeugt, der bei einer Temperatur größer T2 und kleiner T1,3 zwei feste Lagen eines flexiblen und reißfesten Hüllmaterials aufweist, zwischen denen eine Lage fließfähiges Kernmaterial angeordnet ist. Zum sicheren Einschluss des geschmolzenen Kernmaterials sind die Hüllmateriallagen bevorzugt so miteinander verbunden, dass das Kernmaterial vollständig eingeschlossen ist und nicht entweichen kann. Besonders bevorzugt sind die Hüllmateriallagen stoffschlüssig miteinander verbunden.Advantageously, a reusable core is thus produced which has two solid layers of a flexible and tear-resistant wrapping material at a temperature greater than T 2 and smaller than T 1.3 , between which a layer of flowable core material is arranged. For securely enclosing the molten core material, the skin layers are preferably bonded together so that the core material is completely enclosed and can not escape. Particularly preferably, the Hüllmateriallagen are materially interconnected.
Schließen die Hüllmateriallagen das Kernmaterial nicht vollständig ein, ist das Kernmaterial vollständig von den Hüllmateriallagen und den Innenwänden, Einlegern oder Seitenbegrenzungen bzw. mittels Klemmung befestigter Seitenteile einer Kavität eines Formwerkzeugs begrenzbar und dicht einschließbar, insbesondere mechanisch durch Kraftschluss. Die Erwärmung des Kerns auf Temperaturen höher als T2 erfolgt in diesem Fall nur in diesem Formwerkzeug.If the enveloping material layers do not completely enclose the core material, the core material can be completely bounded by the enveloping material layers and the inner walls, inlays or side boundaries or clamped side parts of a cavity of a molding tool, in particular mechanically by adhesion. The heating of the core to temperatures higher than T 2 takes place in this case only in this mold.
Der gesamte hohlförmige Kern ist bei Temperaturen T2 < T < T1,3 umformbar und durch Erhöhung des Innendrucks expandierbar sowie durch Erniedrigung des Innendrucks kollabierbar, wobei die Dichtheit der Hüllmateriallagen gewahrt bleibt. Bei Temperaturen kleiner T2 weist der erfindungsgemäße Kern eine Lage aus erstarrtem und druck- und formstabilem Kernmaterial auf. Die Lagen aus Hüllmaterial liegen dann weitgehend am erstarrten Kernmaterial an.The entire hollow core is deformable at temperatures T 2 <T <T 1.3 and expandable by increasing the internal pressure and collapsible by lowering the internal pressure, whereby the tightness of Hüllmateriallagen is maintained. At temperatures less than T 2 , the core according to the invention has a layer of solidified and pressure-stable and dimensionally stable core material. The layers of shell material are then largely on the solidified core material.
Mit Erstarrung des Kernmaterials ist der Kern vorteilhaft in vielfältige druck- und formstabile Formen überführbar und in diesem Zustand vorteilhaft als Kern zur Faserablage, insbesondere als Flechtkern, bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen einsetzbar. Bei Temperaturen über T2 kann der Kern wiederholt in eine komplexe Geometrie, insbesondere in eine hinterschnittige Geometrie, umgeformt und/oder aus einer solchen entformt werden. Durch die Wahl einer geeigneten Kernstruktur ist der Kern bereits in einer komplexen Geometrie urformbar.With solidification of the core material, the core can advantageously be converted into a variety of pressure and dimensionally stable shapes and can advantageously be used in this state as a core for depositing fibers, in particular as a braided core, in the production of fiber composite components. At temperatures above T 2 , the core can be repeatedly transformed into a complex geometry, in particular into an undercut geometry, and / or be removed from it. By choosing a suitable core structure, the core can already be formed in a complex geometry.
In einer besonders bevorzugten Durchführungsform sind erstes und zweites flexibles Hüllmaterial identisch und weisen eine gemeinsame Grenztemperatur T1 = T3 auf. Ohne Einschränkung wird im Folgenden nur noch auf die Verwendung eines einzigen flexiblen Hüllmaterials Bezug genommen. Die Hüllmateriallagen werden bevorzugt aus Kautschuk, Latex, Polyurethane oder Silikon sowie dampfdicht, bevorzugt Benzin- und Öldicht und besonders bevorzugt gasdicht erzeugt und weisen somit im Mittel eine Leckrate kleiner 10–3 Pa·m3·s–1, bevorzugt kleiner 10–5 Pa·m3·s–1 und besonders bevorzugt kleiner 10–7 Pa·m3·s–1 auf. Als Kernmaterial wird bevorzugt Formwachs, Thermoplast oder eine niedrigschmelzende Metalllegierung, bspw. Wood’sches Metall oder Field’sches Metall, verwendet.In a particularly preferred embodiment, first and second flexible wrapping material are identical and have a common limit temperature T 1 = T 3 . Without limitation, the following only refers to the use of a single flexible wrapping material. The Hüllmateriallagen are preferably made of rubber, latex, polyurethane or silicone and vapor-tight, preferably gasoline and oil-tight and particularly preferably gas-tight and thus have an average leakage rate less than 10 -3 Pa · m 3 · s -1 , preferably less than 10 -5 Pa · m 3 · s -1 and more preferably less than 10 -7 Pa · m 3 · s -1 . The core material used is preferably molding wax, thermoplastic or a low-melting metal alloy, for example Wood's metal or Field's metal.
Das flexible Hüllmaterial wird bevorzugt in Form flexibler Flächengebilde und/oder im fließfähigen Zustand auf den Kern und/oder die Kern- und Hüllmateriallage aufgebracht. Mit flexiblen Flächengebilden sind dabei insbesondere reißfeste und flexible Folien oder Schläuche bezeichnet. Diese weisen eine Bruchdehnung von über 150%, bevorzugt von über 250% und besonders bevorzugt über 500% auf. Die Ummantelung der Kernstruktur, des Kernmaterials und/oder der ersten Lage Hüllmaterials erfolgt dabei mit einer oder mehreren Foliensegmenten, die stoffschlüssig, bspw. durch Verschweißen, Vergießen oder Verkleben, miteinander verbunden werden.The flexible shell material is preferably applied in the form of flexible fabrics and / or in the flowable state to the core and / or the core and Hüllmateriallage. With flexible fabrics in particular tear-resistant and flexible films or hoses are referred to. These have an elongation at break of more than 150%, preferably more than 250% and particularly preferably more than 500%. The sheathing of the core structure, the core material and / or the first layer of sheath material is carried out with one or more foil segments, which are materially connected, for example by welding, casting or gluing together.
Alternativ bevorzugt wird das Hüllmaterial in einem fließfähigen Zustand, bspw. durch Streichen, Sprühen, Tauchen und/oder Pinseln, aufgebracht. Besonders bevorzugt erfolgt ein wiederholter Auftrag dünner Schichten zur Erzeugung einer Hüllmateriallage. Das fließfähige Hüllmaterial wird dabei vor dem Auftrag der nächsten Kernmateriallage durch Abkühlung erstarrt oder durch Verdampfen eines Lösungsmittels verfestigt bzw. polymerisiert. Der Auftrag fließfähigen Hüllmaterials ist besonders für Kernstrukturen komplexer Geometrie vorteilhaft. Der bevorzugte Stoffschluss zweier aufeinander folgender Hüllmateriallagen erfolgt bevorzugt durch Verschweißen, Verkleben oder durch Erstarrung eines fließfähigen Hüllmaterials auf einem bereits erstarrten Hüllmaterial (monolithischer Anschluss).Alternatively, preferably, the shell material is applied in a flowable state, for example by brushing, spraying, dipping and / or brushing. Particularly preferred is a repeated application of thin layers to produce a Hüllmateriallage. The flowable shell material is solidified by cooling before applying the next core material layer or solidified or polymerized by evaporation of a solvent. The application of flowable shell material is particularly advantageous for core structures of complex geometry. The preferred one Material connection of two successive Hüllmateriallagen is preferably carried out by welding, gluing or by solidification of a flowable shell material on an already solidified shell material (monolithic connection).
Die Kernmateriallage wird bevorzugt in Form mindestens eines erstarrten Elements und/oder im fließfähigen Zustand auf die darunter liegende flexible Hüllmateriallage aufgebracht. Mit erstarrten Elementen sind dabei an die Querschnittsform des Kerns angepasste oder anpassbare, bevorzugt flächig ausgedehnte, Elemente aus Kernmaterial bezeichnet. Diese werden durch Anpressen aufgebracht, wobei bevorzugt ein Haftvermittler, bspw. ein Klebstoff oder fließfähiges Hüll- oder Kernmaterial, eingesetzt wird. Besonders bevorzugt erfolgt das Aufbringen durch kurzzeitiges Anschmelzen der Elemente und Anpressen bis zur erneuten Erstarrung. Um eine Kernmateriallage zu erzeugen, die mindestens einen Querschnitt vollständig umschließt, müssen mehrere erstarrte Flächenelemente gefügt werden, bspw. durch thermisches Verschweißen oder fließfähiges Kernmaterial.The core material layer is preferably applied in the form of at least one solidified element and / or in the flowable state to the underlying flexible Hüllmateriallage. With solidified elements are adapted to the cross-sectional shape of the core adapted or customizable, preferably flat extended elements of core material. These are applied by pressing, whereby preferably an adhesion promoter, for example an adhesive or flowable envelope or core material, is used. Particularly preferably, the application is carried out by brief melting of the elements and pressing until re-solidification. In order to produce a core material layer which completely surrounds at least one cross section, several solidified surface elements must be joined, for example by thermal welding or flowable core material.
Alternativ bevorzugt wird das Kernmaterial in einem fließfähigen Zustand, bspw. durch Streichen, Sprühen, Tauchen und/oder Pinseln, aufgebracht. Besonders bevorzugt erfolgt ein wiederholter Auftrag dünner Schichten zur Erzeugung einer Kernmateriallage. Das fließfähige Kernmaterial wird dabei vor dem Auftrag der nächsten Hüllmateriallage erstarrt. Der Auftrag fließfähigen Kernmaterials ist besonders für Kernstrukturen komplexer Geometrie geeignet.Alternatively preferably, the core material is applied in a flowable state, for example by brushing, spraying, dipping and / or brushing. Particularly preferred is a repeated application of thin layers to produce a Kernmateriallage. The flowable core material is solidified before the order of the next Hüllmateriallage. The application of flowable core material is particularly suitable for core structures of complex geometry.
In einer bevorzugten Durchführungsform werden die Schritte (b) und (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens einfach wiederholt. Somit wird auf die Abfolge zweier Hüllmateriallagen und die dazwischen angeordnete Kernmateriallage, eine weitere Lage Kernmaterial und eine weitere Lage Hüllmaterial aufgebracht. Die weitere Lage Hüllmaterial wird dabei bevorzugt mit der darunterliegenden Hüllmateriallage stoffschlüssig verbunden und schließt mit dieser die weitere Lage Kernmaterial bevorzugt vollständig ein, insbesondere wenn auch die ersten beiden Hüllmateriallagen stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt werden die Schritte (b) und (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrfach wiederholt, wobei auf die Lage zweiten flexiblen Hüllmaterials wechselweise weitere Lagen Kernmaterial und Hüllmaterial folgen. Bevorzugt ist dabei jede Kernmateriallage vollständig von den sie jeweils umgebenden zwei Hüllmateriallagen eingeschlossen.In a preferred embodiment, steps (b) and (c) of the process according to the invention are repeated at least once. Thus, a further layer of core material and a further layer of shell material is applied to the sequence of two layers of casing material and the core material layer arranged therebetween. The further layer of shell material is preferably bonded cohesively to the underlying Hüllmateriallage and closes with this the further layer core material preferably completely, especially if the first two Hüllmateriallagen are cohesively connected to each other. Particularly preferably, the steps (b) and (c) of the method according to the invention are repeated several times, with the layer of second flexible wrapping material alternately followed by further layers of core material and wrapping material. In this case, each core material layer is preferably completely enclosed by the two enveloping material layers which surround it in each case.
Besonders bevorzugt wird mindestens eine Kernmateriallage in Form von Flächenelementen aufgebracht, die in axialer und/oder zirkumferenzieller Richtung beabstandet sind. Diese Flächenelemente ergänzen sich nicht vollständig zu einer umfänglich geschlossenen Kernmateriallage, mit mindestens einem vollständig begrenzten Querschnitt, sondern weisen mindestens einen Zwischenraum zueinander, besonders bevorzugt mehrere Zwischenräume zueinander auf. Die beabstandeten Flächenelemente werden bevorzugt in Form erstarrter Flächenelemente aus Kernmaterial aufgebracht. Die Zwischenräume sind mit Trennstegen gefüllt, die aus einem reißfesten und flexiblen Material der Grenztemperatur T > T2 gebildet sind und dicht mit den Hüllmateriallagen abschließen. Besonders bestehen die Trennstege aus Hüllmaterial, das beim Auftrag einer Hüllmateriallage aus fließfähigem Hüllmaterial in die Zwischenräume der Flächenelemente geflossen ist. Dem Kernmaterial stehen im geschmolzenen Zustand somit von den Hüllmateriallagen und zusätzlich von den Trennstegen begrenzten Kompartiment zur Verfügung. Vorteilhaft wird dadurch ein ungewolltes Verfließen des geschmolzenen Kernmaterials verhindert und dessen gleichmäßige Verteilung innerhalb der Kernmateriallage erzielt. Ein Kern mit einer derart segmentierten Kernmateriallage weist im erstarrten Zustand eine gleichmäßige Druckstabilität auf.Particularly preferably, at least one core material layer in the form of surface elements is applied, which are spaced apart in the axial and / or circumference direction. These surface elements do not complement each other completely to a circumferentially closed core material layer, with at least one completely limited cross section, but have at least one space to each other, more preferably a plurality of intermediate spaces to each other. The spaced-apart surface elements are preferably applied in the form of solidified surface elements made of core material. The intermediate spaces are filled with separating webs, which are formed from a tear-resistant and flexible material of the limit temperature T> T 2 and close tightly with the Hüllmateriallagen. In particular, the separating webs of wrapping material, which has flowed in the interstices of the surface elements when applying a Hüllmateriallage of flowable wrapping material. The core material is thus available in the molten state from the Hüllmateriallagen and additionally limited by the dividing compartments compartment. Advantageously, this prevents undesired flowing of the molten core material and achieves its uniform distribution within the core material layer. A core with such a segmented core material layer has a uniform pressure stability in the solidified state.
Die beabstandeten Flächenelemente aufeinander folgender Kernmateriallagen werden im Quer- und/oder im Längsschnitt bevorzugt ziegelartig zueinander aufgebracht. Wird eine Kernmateriallage aus in axialer Richtung durch Trennstege beabstandeten Flächenelementen aufgebracht, wird die darauf folgende Kernmateriallage mit im Längsschnitt nicht fluchtend sondern versetzt zueinander angeordneten Trennstegen aufgebracht. Die Trennstege werden im Längs- und oder Querschnitt besonders bevorzugt mittig zu Flächenelementen der darunter liegenden Kernmateriallage aufgebracht. Vorteilhaft ergibt dieser ziegelartige Aufbau einen Kern, der im erstarrten Zustand eine über seine gesamte Oberfläche gleichmäßig hohe Druckstabilität aufweist. Insbesondere weist solche ein Kern keine Schwachstellen geringer Querschnittstreue im Bereich der Trennstege auf.The spaced-apart surface elements of successive core material layers are preferably applied to each other in a transverse and / or longitudinal section in a brick-like manner. If a core material layer of surface elements spaced apart in the axial direction by separating webs is applied, the following core material layer is applied with separating webs which are not aligned in longitudinal section but offset from one another. The partitions are applied in the longitudinal and / or cross-section particularly preferably centrally to surface elements of the underlying core material layer. Advantageously, this brick-like structure results in a core which, in the solidified state, has uniformly high pressure stability over its entire surface. In particular, such a core has no weak points of low cross-section fidelity in the region of the partitions.
In einer bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Kernstruktur verwendet, die eine Außenfläche aufweist, die zumindest annähernd der Innenfläche eines herzustellenden Faserverbundbauteils entspricht. Die Außenkontur der Kernstruktur ist bevorzugt in etwa um die Dicke des wiederverwendbaren Kerns kleiner ist als die Innenfläche eines herzustellenden Faserverbundbauteils. Mit dieser Kernstruktur ist vorteilhaft ein wiederverwendbarer Kern erzeugbar, der bereits weitgehend der Geometrie des herzustellenden Faserverbundbauteils entspricht. Eine Umformung des wiederverwendbaren Kerns im Vorfeld der ersten Faserablage ist somit verzichtbar. Zudem sind wiederverwendbare Kerne komplexer Geometrie, insbesondere hinterschnittiger Geometrie, und/oder wechselnder Querschnittsformen erzeugbar. Kerne mit derartiger Geometrie sind durch Umformung eines, bspw. zylindrischen geformten, wiederverwendbaren Kerns nur bedingt mit optimaler Materialverteilung innerhalb der einzelnen Lagen herstellbar.In a preferred embodiment of the method according to the invention, a core structure is used which has an outer surface which corresponds at least approximately to the inner surface of a fiber composite component to be produced. The outer contour of the core structure is preferably smaller by approximately the thickness of the reusable core than the inner surface of a fiber composite component to be produced. With this core structure, a reusable core can advantageously be produced which already largely corresponds to the geometry of the fiber composite component to be produced. A transformation of the reusable core in advance of the first fiber deposit is therefore unnecessary. In addition, reusable cores of complex geometry, in particular undercut geometry, and / or changing Cross-sectional shapes can be generated. Cores with such geometry can be produced only to a limited extent with optimal material distribution within the individual layers by forming a, for example. Cylindrically shaped, reusable core.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein wiederverwendbarer Kern, aufweisend
- a. eine Lage aus einem ersten flexiblen Hüllmaterial der Grenztemperatur T1,
- b. eine Lage aus Kernmaterial der Ertweichungstemperatur T2 < T1 und
- c. einer Lage aus einem zweiten flexiblen Hüllmaterial der Grenztemperatur T3 > T2, wobei i. die Hüllmateriallagen mindestens einen Querschnitt vollständig umschließen, iii. der Kern bei Temperaturen T < T2 druck- und formstabil und bei Temperaturen T2 < T < T1,3 expandier- und kollabierbar ist.
- a. a layer of a first flexible shell material of the limit temperature T 1 ,
- b. a layer of core material of the softening temperature T 2 <T 1 and
- c. a layer of a second flexible shell material of the boundary temperature T 3 > T 2 , wherein i. the cladding material layers completely enclose at least one cross-section, iii. the core at temperatures T <T 2 pressure and dimensionally stable and at temperatures T 2 <T <T 1.3 is expandable and collapsible.
Der erfindungsgemäße Kern ist hohlförmig, umschließt mindestens einen Querschnitt vollständig und weist einen mindestens dreilagigen Aufbau auf. In radialer Richtung auswärts folgen eine Lage eines ersten flexiblen Hüllmaterials der Grenztemperatur T1, eine Lage eines Kernmaterials der Erweichungstemperatur T2 < T1 und eine Lage eines zweiten flexiblen Hüllmaterials der Grenztemperatur T3 > T2 aufeinander. Die Hüllmateriallagen umschließen jeweils mindestens einen Querschnitt vollständig. Bei Temperaturen unterhalb ihrer Erweichungstemperatur ist eine Kernmateriallage vollständig zwischen den Hüllmateriallagen angeordnet.The core according to the invention is hollow, encloses at least one cross section completely and has an at least three-layered construction. In the radial direction outward follow a layer of a first flexible shell material of the limit temperature T 1 , a layer of a core material of the softening temperature T 2 <T 1 and a layer of a second flexible shell material of the boundary temperature T 3 > T 2 each other. The Hüllmateriallagen each enclose at least one cross section completely. At temperatures below its softening temperature, a core material layer is completely disposed between the skin layers.
Bevorzugt sind die Hüllmateriallagen so miteinander verbunden, dass die Kernmateriallage weder im festen noch im flüssigen Zustand aus dem Volumen entweichen kann, dass die sie umgebenden Hüllmateriallagen bilden. Besonders bevorzugt sind die Hüllmateriallagen stoffschlüssig miteinander verbunden. Alternativ bevorzugt ist das Kernmaterial vollständig zwischen den Hüllmateriallagen angeordnet jedoch nicht vollständig von diesen umschlossen. Beispielsweise bei einem dreilagigen hohlzylinderförmigen Kern, wobei an den Stirnseiten wechselweise Hüll- und Kernmaterial an die Oberfläche des Kerns tritt.Preferably, the Hüllmateriallagen are interconnected so that the core material layer can escape from the volume neither in the solid nor in the liquid state that they form surrounding Hüllmateriallagen. Particularly preferably, the Hüllmateriallagen are materially interconnected. Alternatively preferably, the core material is disposed completely between the skin layers but not completely enclosed by them. For example, in a three-layered hollow cylindrical core, wherein on the front sides alternately sheath and core material enters the surface of the core.
Bei Temperaturen unter T2 ist der Kern aufgrund des erstarrten Kernmaterials druck- und formbeständig. Bei Temperaturen über T2 und unterhalb von T1 und T3 ist zwischen den reißfesten und flexiblen Hüllmateriallagen fließfähiges Kernmaterial angeordnet. Sind die Hüllmateriallagen stoffschlüssig miteinander verbunden, ist das fließfähige Kernmaterial vollständig zwischen diesen eingeschlossen. Ein solcher Kern ist bei Temperaturen T2 < T < T1,3 verformbar, insbesondere unter Erhöhung des Innendrucks expandierbar und unter Erniedrigung des Innendrucks kollabierbar. Alternativ ist das fließfähige Kernmaterial zwischen zwei Hüllmateriallagen und den Innenflächen einer Kavität eines Formwerkzeugs vollständig eingeschlossen. Ein solcher Kern ist zumindest innerhalb der Kavität des Formwerkzeugs verformbar, insbesondere unter Erhöhung des Innendrucks expandierbar und unter Erniedrigung des Innendrucks kollabierbar.At temperatures below T 2 , the core is pressure and dimensionally stable due to the solidified core material. At temperatures above T 2 and below T 1 and T 3 flowable core material is disposed between the tear-resistant and flexible Hüllmateriallagen. Are the Hüllmateriallagen cohesively connected to each other, the flowable core material is completely enclosed between these. Such a core is deformable at temperatures T 2 <T <T 1.3 , in particular expandable with an increase in the internal pressure and collapsible while lowering the internal pressure. Alternatively, the flowable core material is completely enclosed between two skin layers and the inner surfaces of a cavity of a mold. Such a core is deformable at least within the cavity of the mold, in particular expandable with an increase in the internal pressure and collapsible with a reduction in the internal pressure.
Die eingesetzten Hüllmaterialien weisen eine Bruchdehnung von über 150%, bevorzugt von über 250% und besonders bevorzugt von über 500% auf. Weiterhin bevorzugt sind die Hüllmaterialien dicht gegenüber dem fließfähigen Kernmaterial, insbesondere dampfdicht, bevorzugt Benzin- und Öldicht und besonders bevorzugt gasdicht und weisen besonders somit bevorzugt im Mittel eine Leckrate kleiner 10–3 Pa·Pa·m3·s–1, bevorzugt kleiner 10–5 Pa·m3·s–1 und besonders bevorzugt kleiner 10–7 Pa·m3·s–1 auf. Besonders bevorzugt sind das erste und das zweite Hüllmaterial identisch. Als Hüllmaterial wird bevorzugt Kautschuk, Latex, Polyurethane oder Silikon verwendet. Als Kernmaterial wird bevorzugt Formwachs, Thermoplast oder eine niedrigschmelzende Metalllegierung, bspw. Wood’sches Metall oder Field’sches Metall, verwendet.The shell materials used have an elongation at break of more than 150%, preferably of more than 250% and particularly preferably of more than 500%. Further preferably, the shell materials are tightly opposite the flowable core material, in particular vapor-tight, preferably gasoline and oil-tight, and particularly preferably gas-tight, and particularly preferably have on average a leakage rate of less than 10 -3 Pa. Pa.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kerns folgen wechselweise weitere Lagen aus Kernmaterial und Hüllmaterial auf die Lage aus dem zweiten flexiblen Hüllmaterial. Dabei sind jeweils zwei in radialer Richtung aufeinanderfolgende Hüllmateriallagen stoffschlüssig miteinander verbunden und schließend mindestens eine Kernmateriallage vollständig ein.In a preferred embodiment of the core according to the invention, alternate layers of core material and shell material alternately follow the layer of the second flexible shell material. In each case, two successive Hüllmateriallagen in the radial direction are materially connected to each other and closing at least one Kernmateriallage a complete.
Der erfindungsgemäße wiederverwendbare Kern weist besonders bevorzugt mindestens eine Kernmateriallage auf, die aus Flächenelementen gebildet ist, die in axialer und/oder in zirkumferenzieller Richtung beabstandet und durch Trennstege voneinander getrennt sind. Von den Kernmaterialagen als Ganzes wird in diesem Fall kein Querschnitt vollständig umschlossen. Vielmehr weisen die Kernmateriallagen einzelne Kompartiments auf, die gemeinsam mit den zwischen den Kompartiments angeordneten Trennstegen einen Querschnitt vollständig begrenzen. In dieser Ausgestaltung des Kerns kann sich fließfähigen Kernmaterial nicht entlang des gesamten Umfangs des Kerns ausbreiten. Somit ist ein Verfließen des Kernmaterials unter Einfluss der Schwerkraft vorteilhaft vermeidbar; insbesondere in Flächenelementen, die durch in axialer Richtung verlaufende Trennstege in zirkumferenzieller Richtung voneinander beabstandet sind. Weiterhin vorteilhaft ist ein Verfließen des Kernmaterials zwischen Bereichen verschiedener Querschnittsformen oder -größen vermeidbar, insbesondere in Flächenelementen die durch in zirkumferenzieller Richtung verlaufende Trennstege in axialer Richtung voneinander beabstandet sind. Kerne mit komplexer, insbesondere hinterschnittiger Geometrie, und/oder wechselnden Querschnittsformen, weisen besonders vorteilhaft Kernmateriallagen aus in axialer und in zirkumferenzieller Richtung beabstandeten Flächenelementen auf.The reusable core according to the invention particularly preferably has at least one core material layer which is formed from surface elements which are spaced apart in the axial and / or circumference direction and which are separated from one another by separating webs. Of the core material layers as a whole, no cross-section is completely enclosed in this case. Rather, the core material layers have individual compartments which, together with the separating webs arranged between the compartments, completely limit a cross section. In this embodiment of the core, flowable core material can not propagate along the entire circumference of the core. Thus, a flow of the core material under the influence of gravity is advantageously avoidable; in particular in surface elements which are spaced apart from each other by dividers extending in the axial direction in the circumferential direction. Further advantageous is a flow of the core material between areas of different cross-sectional shapes or sizes avoidable, especially in surface elements which are spaced apart by extending in the circumferential direction separating partitions in the axial direction. Cores with complex, in particular undercut geometry, and / or changing cross-sectional shapes, particularly advantageously have core material layers of surface elements spaced apart in the axial and in the circumferential direction.
Die zwischen den beabstandeten Flächenelementen in der Kernmateriallage angeordneten Trennstege sind bevorzugt aus Hüllmaterial gebildet und besonders bevorzugt stoffschlüssig mit den Hüllmateriallagen verbunden. Vorteilhaft weisen die Trennstege die gleichen mechanischen Eigenschaften wie die Hüllmateriallagen auf, wodurch die Gefahr von Leckagen gering und die einzelnen Kompartiments der Kernmateriallagen auch bei Expansion des Kerns vollständig voneinander getrennt bleibenThe separating webs arranged between the spaced-apart surface elements in the core material layer are preferably formed of wrapping material and particularly preferably connected in a materially bonded manner to the wrapping material layers. Advantageously, the separating webs have the same mechanical properties as the Hüllmateriallagen, whereby the risk of leakage low and the individual compartments of the core material layers remain completely separated even when expanding the core
Besonders bevorzugt liegen die Flächenelemente aufeinander folgender Kernmateriallagen im Quer- und/oder im Längsschnitt in radialer Richtung ziegelartig übereinander. Die Trennstege in radialer Richtung aufeinander folgender Kernmateriallagen sind somit nicht fluchtend sondern versetzt zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Trennstege im Längs- und/oder im Querschnitt mittig zu den Flächenelementen der radial folgenden Kernmateriallage angeordnet. Ein Kern mit ziegelartig angeordneten Flächenelementen weist bei Temperaturen kleiner T2 eine über seine gesamte Oberfläche gleichmäßig hohe Druckstabilität sowie Form- und Querschnittstreue auf.Particularly preferably, the surface elements of successive core material layers lie in the transverse direction and / or in the longitudinal section in the radial direction one above the other like a brick. The separating webs in the radial direction of successive core material layers are thus not aligned but offset from one another. Particularly preferably, the separating webs in the longitudinal and / or in the cross section are arranged centrally to the surface elements of the radially following core material layer. A core with brick-like surface elements has at temperatures smaller T 2 over its entire surface uniformly high pressure stability and shape and cross-section fidelity.
Der wiederverwendbare Kern ist bei Temperaturen kleiner T2 vorzugsweise an eine innere Querschnittsform einer Preform eines herzustellenden Faserverbundbauteils angepasst. Die Anpassung des Querschnitts ist durch die Verwendung eines entsprechend geformten Kernelements bei der Herstellung des Kerns erzielbar. Alternativ dazu ist auch ein bereits erzeugter, ggf. bereits zur Faserablage genutzter Kern in begrenztem Maß an die innere Querschnittsform einer Preform eines herzustellenden Faserverbundbauteils anpassbar. Hierzu muss ein Kern mit geschmolzener Kernmateriallage bei Temperaturen T > T2 in ein Formwerkzeug eingebracht und in diesem und bei erhöhtem Innendruck erstarrt werden.The reusable core is preferably adapted at temperatures smaller than T 2 to an inner cross-sectional shape of a preform of a fiber composite component to be produced. The adaptation of the cross section is achieved by the use of a correspondingly shaped core element in the manufacture of the core. Alternatively, an already generated, possibly already used for fiber deposition core to a limited extent to the inner cross-sectional shape of a preform of a fiber composite component to be produced adaptable. For this purpose, a core with molten core material layer at temperatures T> T 2 must be introduced into a mold and solidified in this and at elevated internal pressure.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines wiederverwendbaren Kerns zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, wobei
- a. durch Faserablage auf einem Kern der Temperatur T < T2 eine Preform erzeugt wird,
- b. der Kern der Temperatur T < T2 und die Preform in ein offenes Formwerkzeug eingelegt werden,
- c. das Formwerkzeug geschlossen, evakuiert und die Preform mit einem Matrixwerkstoff konsolidiert wird, wobei i. das Kernmaterial durch Erhöhung der Temperatur über T2 geschmolzen, ii. der Kern bei einer Temperatur T2 < T < T1,3 und erhöhtem Innendruck expandiert und iii. Preform und Matrixmaterial im Formwerkzeug verpresst werden,
- d. der konsolidierte Faserverbundbauteil mit dem Kern aus dem Formwerkzeug entformt und
- e. der Kern bei einer Temperatur T > T2 von dem Faserverbundbauteil getrennt wird.
- a. by fiber deposition on a core of temperature T <T 2 a preform is generated
- b. the core of the temperature T <T 2 and the preform are placed in an open mold,
- c. closed the mold, evacuated and the preform is consolidated with a matrix material, wherein i. the core material is melted by raising the temperature above T 2 , ii. the core expands at a temperature T 2 <T <T 1.3 and increased internal pressure, and iii. Preform and matrix material are pressed in the mold,
- d. the consolidated fiber composite component with the core removed from the mold and
- e. the core is separated from the fiber composite component at a temperature T> T 2 .
Ein erfindungsgemäßer wiederverwendbarer Kern der Temperatur T > T2 wird zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils mit nicht-kreisförmigem Querschnitt oder komplexer Geometrie, bspw. hinterschnittiger Geometrie, verwendet. Bei dieser Temperatur ist der Kern aufgrund des erstarrten Kernmaterials vorteilhaft druck- und formstabil gegenüber Drücken, die gewöhnlich bei der Ablage von Verstärkungsfasern und aufgrund des Eigengewichts von Kern und Fasern auftreten. Bevorzugt ist die äußere Querschnittsform des Kerns an eine innere Querschnittsform einer Preform eines herzustellenden Faserverbundbauteils angepasst.An inventive reusable core of temperature T> T 2 is used for producing a fiber composite component, in particular a fiber composite component with non-circular cross-section or complex geometry, for example. Undercut geometry. At this temperature, the core is due to the solidified core material advantageous pressure and dimensionally stable to pressures that usually occur in the deposition of reinforcing fibers and the self-weight of the core and fibers. Preferably, the outer cross-sectional shape of the core is adapted to an inner cross-sectional shape of a preform of a fiber composite component to be produced.
Die Faserablage auf dem druck- und formstabilen Kern erfolgt bevorzugt mittels Wickeln, Flechten, Faserspritzen oder durch Ablage von textilen Flächengebilden, insbesondere Geweben, Gelegen, Gestricken, Gewirken, Flechtschläuchen oder von Prepregs. Mit der Faserablage wird auf dem Kern bevorzugt eine endkonturnahe Preform des herzustellenden Faserverbundbauteils erzeugt.The fiber deposition on the pressure-stable and dimensionally stable core is preferably carried out by means of winding, braiding, fiber spraying or by depositing textile fabrics, in particular woven, laid, knitted, knitted, braided or prepregs. With the fiber deposition, a near-net shape preform of the fiber composite component to be produced is preferably produced on the core.
Der druck- und formstabile Kern mit der darauf abgelegten Preform wird anschließend in ein offenes Formwerkzeug eingelegt. Das Formwerkzeug weist dabei bevorzugt eine Kavität mit einer Innenfläche auf, die der Außenfläche der Preform zumindest annähernd entspricht und besonders bevorzugt bündig an die offenen Seiten des hohlförmigen Kerns anschließt.The pressure-stable and dimensionally stable core with the preform deposited thereon is then placed in an open mold. In this case, the molding tool preferably has a cavity with an inner surface which at least approximately corresponds to the outer surface of the preform and particularly preferably connects flush to the open sides of the hollow-shaped core.
Das Formwerkzeug wird geschlossen, evakuiert und die Preform mit einem geeigneten Matrixwerkstoff, bevorzugt einem thermo- oder duroplastischen Kunststoff oder Harz, konsolidiert. Dazu wird das Matrixmaterial in das Formwerkzeug und in die Preform infiltriert. Alternativ besteht die Preform aus Hybrid-Rovings, faserverstärkten Thermoplasttapes oder Organoblechen und das in der Preform enthaltene, bevorzugt thermoplastische, Matrixmaterial wird im Formwerkzeug, bei Temperaturen T2 < T < T1,3 erweicht. Während der Konsolidierung wird die Temperatur im Formwerkzeug über T2 und unter T1,3 sowie der Innendruck des Kerns erhöht. Durch die Temperaturerhöhung wird das Kernmaterial der Kernmateriallage fließfähig. Aufgrund des erhöhten Innendrucks wird der Kern expandiert und wirkt als Innendrucksack, der Matrixwerkstoff und Preform im Formwerkzeug verpresst. Alternativ erfolgt die Expansion des Blaskerns durch die Erzeugung eines Unterdrucks in der Kavität des Formwerkzeugs. Die Konsolidierungstemperatur des verwendeten Matrixmaterials liegt bevorzugt über T2 und unter T1,3.The mold is closed, evacuated and the preform consolidated with a suitable matrix material, preferably a thermoplastic or thermosetting plastic or resin. For this purpose, the matrix material is infiltrated into the mold and into the preform. Alternatively, the preform consists of hybrid rovings, fiber-reinforced thermoplastic tapes or organic sheets and the preform contained, preferably thermoplastic, matrix material is softened in the mold, at temperatures T 2 <T <T 1.3 . During consolidation, the temperature in the mold is increased above T 2 and below T 1.3 and the internal pressure of the core. Due to the temperature increase, the core material of the core material layer becomes flowable. Due to the increased internal pressure of the core is expanded and acts as an inner pressure bag, the matrix material and preform pressed in the mold. Alternatively, the Expansion of the bubble core by creating a negative pressure in the cavity of the mold. The consolidation temperature of the matrix material used is preferably above T 2 and below T 1.3 .
Durch das Verpressen bzw. Anpressen der mit Matrixmaterial getränkten Preform an die Innenwand des Formwerkzeugs können das Faser/Resin-Verhältnis eingestellt und Gaseinschlüsse aus dem Faserverbund entfernt werden. Durch das Verpressen wird somit die Qualität des herzustellenden Faserverbundbauteils verbessert. Zudem werden die auf dem Kern abgelegten Fasern durch dessen Aufweitung ggf. erst in ihre endgültige Lage im Faserverbundbauteil gebracht.By pressing or pressing the matrix material impregnated preform to the inner wall of the mold, the fiber / resin ratio can be adjusted and gas inclusions are removed from the fiber composite. By pressing thus the quality of the fiber composite component to be produced is improved. In addition, the fibers deposited on the core are possibly brought into their final position in the fiber composite component by its widening.
Das konsolidierte Faserverbundbauteil wird gemeinsam mit dem Kern aus dem Formwerkzeug entformt und entnommen. Zur Trennung des Kerns von dem Faserverbundbauteil wird der Innendruck bei unverändert hoher Temperatur (T > T2) gesenkt. Aufgrund mangelnder Stabilität der Kernmateriallage kollabiert der Kern und kann sofort oder später aus dem Faserverbundbauteil entnommen werden.The consolidated fiber composite component is demolded and removed from the mold together with the core. In order to separate the core from the fiber composite component, the internal pressure is lowered while the temperature remains high (T> T 2 ). Due to lack of stability of the core material layer, the core collapses and can be removed immediately or later from the fiber composite component.
Nach der Entnahme des Kerns aus dem Faserverbundbauteil und ggf. einer Reinigung steht der Kern einer erneuten Formgebung bei erhöhter Temperatur, einer Erstarrung in den druckstabilen Zustand sowie für eine erneute Faserablage zur Verfügung.After removal of the core from the fiber composite component and, if appropriate, a cleaning, the core is available for reshaping at elevated temperature, solidification in the pressure-stable state, and for renewed fiber deposition.
Die Formgebung eines erfindungsgemäßen Kerns erfolgt mit Hilfe eines Formwerkzeugs, bevorzugt mit Hilfe des für die Konsolidierung des Faserverbundbauteils genutzten Formwerkzeugs.The shaping of a core according to the invention takes place with the aid of a molding tool, preferably with the aid of the molding tool used for the consolidation of the fiber composite component.
Wird das zur Konsolidierung des Faserverbundbauteils genutzte Formwerkzeug auch für die Formgebung des Kerns verwendet, wird dessen Kavität, die ein Negativ des herzustellenden Faserverbundbauteils darstellt, mittels Einlegern verkleinert. Diese Einleger werden zumindest an Teile der Innenseite der Kavität angebracht und weisen ein Dicke vergleichbar der Dicke des herzustellenden Faserverbundbauteils auf. In die Kavität des zur Formgebung verwendeten Formwerkzeugs wird anschließend ein wiederverwendbarer Kern eingelegt und auf eine Temperatur größer T2 erwärmt. Alternativ wird ein bereits auf eine solche Temperatur erhitzter Kern in das Formwerkzeug eingelegt. Aufgrund der hohen Temperatur wird das Kernmaterial fließfähig und der Kern ist mittels Erhöhung des Kerninnendrucks expandierbar. Im expandierten Zustand legt sich der Kern an die Innenseite der Kavität, in der bevorzugten Ausführungsform an die Innenseite der mit den Einlegern präparierten Kavität, an und erhält eine Außenform entsprechend deren Innenform.If the mold used for the consolidation of the fiber composite component is also used for the shaping of the core, its cavity, which is a negative of the fiber composite component to be produced, is reduced by means of inserts. These inserts are at least attached to parts of the inside of the cavity and have a thickness comparable to the thickness of the fiber composite component to be produced. A reusable core is then inserted into the cavity of the mold used for shaping and heated to a temperature greater than T 2 . Alternatively, a core already heated to such a temperature is placed in the mold. Due to the high temperature, the core material becomes flowable and the core is expandable by increasing the internal pressure of the core. In the expanded state, the core attaches to the inside of the cavity, in the preferred embodiment to the inside of the cavity prepared with the inserts, and receives an outer shape corresponding to its inner shape.
Durch Absenken der Temperatur unter T2 wird der Kern bei unverändert hohem Innendruck im expandierten Zustand erstarrt und kann ohne weiteres aus dem Formwerkzeug entformt werden. Der druckstabile Kern bildet somit ein Positiv der Kavität, in der bevorzugten Ausführungsform der verkleinerten Kavität, und weist eine Außenfläche auf, die an eine Innenfläche einer Preform eines herzustellenden Faserverbundbauteils angepasst ist.By lowering the temperature below T 2 , the core is solidified at unchanged high internal pressure in the expanded state and can be easily removed from the mold. The pressure-stable core thus forms a positive of the cavity, in the preferred embodiment of the reduced cavity, and has an outer surface which is adapted to an inner surface of a preform of a fiber composite component to be produced.
Vorteilhaft lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Kern komplexe Faserverbundbauteile mit hinterschnittiger oder nicht hinterschnittiger und kreisförmiger oder nicht kreisförmiger Geometrie so herstellen, dass kein regelmäßiges Herstellen eines neuen Kerns erforderlich ist, insbesondere keine verlorenen Kerne nötig sind, sondern mit wieder verwendbaren Strukturen gearbeitet werden kann. Zudem ist mit dem Kern vorteilhaft ein Verpressen der imprägnierten Fasern im Formwerkzeug durch Erhöhung des Innendrucks erreichbar. Somit lassen sich hohe Faservolumengehalte sowie ein verringerter Porengehalt im Faserverbundbauteil erzielen. Zudem ist der Kern sowohl als Flechtkern als auch als Innendrucksack für die nachträgliche Harzinfiltration verwendbar.Advantageously, with the core according to the invention complex fiber composite components with undercut or non-undercut and circular or non-circular geometry can be produced so that no regular production of a new core is required, in particular no lost cores are needed, but can be used with reusable structures. In addition, it is advantageously achievable with the core to compress the impregnated fibers in the mold by increasing the internal pressure. Thus, high fiber volume content and a reduced pore content in the fiber composite component can be achieved. In addition, the core can be used both as a braided core and as an inner pressure bag for the subsequent resin infiltration.
Vorteilhaft ist somit keine Unterscheidung mehr nötig, welches Kernkonzept je nach der Geometrie des Faserverbundbauteils verfolgt werden muss. Des Weiteren lassen sich Kosten- und Fertigungsaufwand durch Wegfall der verlorenen Kerne einsparen. Zudem besteht die Möglichkeit der Pressung der Faserstruktur während der Konsolidierung im Formwerkzeug.Advantageously, it is no longer necessary to distinguish which core concept must be followed depending on the geometry of the fiber composite component. Furthermore, cost and production costs can be saved by eliminating the lost cores. In addition, there is the possibility of pressing the fiber structure during consolidation in the mold.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von Figuren näher erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein. Dabei zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and figures, without being limited thereto. Showing:
Herstellung des wiederverwendbaren Kerns Production of the reusable core
Eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen wiederverwendbaren druck- und formstabilen Kerns ist in
Auf die verfestigte Lage aus erstem flexiblem Hüllmaterial aus Latex
Im nächsten, in
Auf den dreilagigen Kern wird, wie in
Nach dem Abbinden der dritten Lage aus flexiblem Hüllmaterial
Formgebung des wiederverwendbaren KernsShaping the reusable core
Die Außenkontur bzw. äußere Querschnittsform des, wie in den
Dazu wird zunächst das, in
In das offene Formwerkzeug wird anschließend ein erfindungsgemäßer Kern
Das Formwerkzeug
Verwendung des Kerns zur Herstellung eines Faserverbundbauteils Wie in
Kern
Nachdem die Preform
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wickelkern winding core
- 22
- flexibles Hüllmaterial flexible wrapping material
- 33
- Kernmaterial nuclear material
- 44
- Trennstege dividers
- 55
- Hohlraum cavity
- 66
- offenes Formwerkzeug open mold
- 77
- Kavität cavity
- 88th
- Einleger depositors
- 99
- geschlossenes Formwerkzeug closed mold
- 1010
- Kern (kollabiert) Core (collapsed)
- 1111
- Kern (expandiert) Core (expanded)
- 1212
- Radialflechtmaschine Radialflechtmaschine
- 1313
- Preform preform
- 1414
- Matrixmaterial matrix material
- 1515
- Faserverbundbauteil Fiber composite component
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2008/086022 A1 [0006] WO 2008/086022 A1 [0006]
- US 5262121 A [0006] US 5262121 A [0006]
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-
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