DE102013223284A1 - Device for producing a fiber-reinforced plastic component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (1), mit einem Umformwerkzeug (13), in dem ein platinenartiges, insbesondere textiles Faserhalbzeug (3) warmumformbar ist, in dem elektrisch leitfähige Verstärkungsfasern (5) in einem wärmeaktivierbaren Binder (7) eingebettet sind, und mit einer Induktionsheizung (19), die zumindest einen Induktor (23) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds aufweist, das in den elektrisch leitfähigen Verstärkungsfasern (5) des Faserhalbzeugs (3) elektrische Ströme induziert. Erfindungsgemäß ist der Induktor (23) ein vom Umformwerkzeug (13) separates, flächiges Einlegerteil (9), das zusammen mit dem Faserhalbzeug (3) in das Umformwerkzeug (13) einlegbar ist.The invention relates to a device for producing a fiber-reinforced plastic component (1) with a forming tool (13) in which a platinum-like, in particular textile semifinished fiber product (3) can be hot-formed, in the electrically conductive reinforcing fibers (5) in a heat-activatable binder (7). embedded, and with an induction heater (19) having at least one inductor (23) for generating an alternating magnetic field, which induces electrical currents in the electrically conductive reinforcing fibers (5) of the semifinished fiber product (3). According to the invention, the inductor (23) is a flat insert part (9) which is separate from the forming tool (13) and can be inserted into the forming tool (13) together with the semi-finished fiber product (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils nach dem Patentanspruch 1, ein Verfahren nach dem Patentanspruch 8 sowie ein Einlegerteil zur Verwendung bei der Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils nach dem Patentanspruch 9. The invention relates to a device for producing a fiber-reinforced plastic component according to
Für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils kann in gängiger Praxis ein faserverstärktes Faserhalbzeug verwendet werden, dessen Verstärkungsfasern in einer Imprägnieranlage unvollständig mit einem Bindermaterial vorimprägniert werden. Das vorimprägnierte Faserhalbzeug kann zur Weiterbearbeitung in eine Heizanlage gefördert werden, in der das Bindermaterial bis auf eine Schmelztemperatur erhitzt wird. In diesem Zustand wird das faserverstärkte Faserhalbzeug einer Warmumformung unterworfen, in der das Kunststoffbauteil geformt wird. Das Aufheizen des Faserhalbzeugs kann durch eine Induktionserwärmung erfolgen. Dem liegt das Prinzip zugrunde, dass ein sich hochfrequent änderndes magnetisches Feld innerhalb eines elektrisch leitenden Materials, das heißt die Verstärkungsfasern im Faserhalbzeug, Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme werden durch den inneren elektrischen Widerstand der Verstärkungsfasern in Wärme umgewandelt. For the production of a fiber-reinforced plastic component can be used in current practice, a fiber-reinforced semi-finished fiber whose reinforcing fibers are pre-impregnated in an impregnating incomplete with a binder material. The preimpregnated fiber semi-finished product can be conveyed for further processing in a heating system in which the binder material is heated to a melting temperature. In this state, the fiber-reinforced semi-finished fiber product is subjected to hot working, in which the plastic component is formed. The heating of the semi-finished fiber can be done by induction heating. This is based on the principle that a high-frequency changing magnetic field within an electrically conductive material, that is, the reinforcing fibers in the semifinished fiber product, generates eddy currents. These eddy currents are converted into heat by the internal electrical resistance of the reinforcing fibers.
Aus der
In der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bereitzustellen, bei dem die Induktionsheizung einfach und flexibel handhabbar ist und/oder der Induktor der Induktionsheizung eine möglichst geringe Eigenmasse aufweist.The object of the invention is to provide a device for producing a fiber-reinforced plastic component, in which the induction heating is easy and flexible to handle and / or the inductor of the induction heating has the lowest possible intrinsic mass.
Die Aufgabe der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 8 oder 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart. The object of the invention is solved by the features of
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Induktor der Induktionsheizung nicht mehr außerhalb des Umformwerkzeugs angeordnet, sondern vielmehr zumindest ein vom Umformwerkzeug und auch vom Faserhalbzeug separates, flächiges Einlegerteil. Das Einlegerteil wird für die Warmumformung zusammen mit dem Faserhalbzeug in das Umformwerkzeug eingelegt. Im Vergleich zur obigen
Eine einfache sowie betriebssichere Handhabung des als separates Einlegerteil ausgeführten Induktors ist von großer Relevanz. Vor diesem Hintergrund kann das Einlegerteil als eine Tragstruktur für den Induktor zusätzlich eine Trägerschicht aufweisen. Je nach Einsatzzweck ist es wichtig, dass das Einlegerteil einer im Umformwerkzeug erfolgenden Formgebung beschädigungsfrei folgen kann. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass die Trägerschicht zusammen mit dem darauf applizierten Induktor flexibel, einfach drapierbar und/oder im Vergleich zum Faserhalbzeug weitgehend biegeschlaff ist. Besonders bevorzugt ist es daher, wenn die Trägerschicht ein textiles Grundmaterial, das heißt ein Gewebe oder ein Gewirke, aufweist. In diesem Fall kann der Induktor zum Beispiel durch Vernähen auf der Trägerschicht fixiert sein.A simple and reliable handling of the designed as a separate insert part inductor is of great relevance. Against this background, the insert part can additionally have a carrier layer as a support structure for the inductor. Depending on the intended use, it is important that the insert part of a forming process in the forming tool can follow without damage. Against this background, it is important that the carrier layer, together with the inductor applied to it, is flexible, easy to drape and / or largely limp in comparison with the semifinished fiber product. It is therefore particularly preferred if the carrier layer has a textile base material, that is, a woven or knitted fabric. In this case, the inductor may be fixed to the support layer, for example, by sewing.
Zur weiteren Steigerung der Drapierfähigkeit des Einlegerteils kann zusätzlich auch der Verlauf der Induktorschlaufe angepasst werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Induktor-Schlaufe zwischen den Anschlüssen für den Wechselstromgenerator zumindest einen Mäanderabschnitt aufweist, der beim Drapieren des Einlegerteils eine beschädigungsfreie Verformung des Induktors zulässt.To further increase the Drapierfähigkeit the Einlegererteils also the course of the inductor loop can be adjusted. It is particularly preferred if the inductor loop between the connections for the alternator has at least one meandering section which allows a damage-free deformation of the inductor during draping of the insert part.
Das Einlegerteil kann unter Bildung eines Zweischichtaufbaus zusammen mit dem Faserhalbzeug in das Umformwerkzeug eingelegt werden. Zur Bildung des Zweischichtaufbaus kann das Einlegerteil lose auf dem Faserhalbzeug liegen. Alternativ dazu ist es zur Lagesicherung bevorzugt, wenn das Einlegerteil durch zum Beispiel Vernähen auf dem Faserhalbzeug fixiert ist.The Einlegerteil can be inserted together with the semi-finished fiber product in the forming tool to form a two-layer structure. To form the two-layer structure, the Einlegerteil can lie loosely on the semi-finished fiber. alternative For this purpose, it is preferred to secure the position when the insert is fixed by, for example, sewing on the semi-finished fiber.
Für eine betriebssichere Induktionsheizung ist eine elektrische Isolation zwischen dem Induktor und den elektrisch leitfähigen Verstärkungsfasern im Faserhalbzeug zu gewährleisten. Hierzu kann beispielhaft der Induktor von einem Isoliermaterial ummantelt sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann auch die Trägerschicht für den Induktor als eine elektrische Isolierung wirken. In diesem Fall kann beispielhaft der Induktor unter Zwischenlage der Trägerschicht auf dem Faserhalbzeug angeordnet sein. Beispielhaft kann die Trägerschicht ein Gewebe aus Glasfasern sein.For a reliable induction heating electrical insulation between the inductor and the electrically conductive reinforcing fibers in the semi-finished fiber is to ensure. For this purpose, by way of example, the inductor can be encased by an insulating material. Alternatively and / or additionally, the carrier layer for the inductor can act as an electrical insulation. In this case, by way of example, the inductor may be arranged on the semi-finished fiber with the interposition of the carrier layer. By way of example, the carrier layer may be a fiberglass fabric.
Nach erfolgtem Warmumform-Prozess kann das den Induktor aufweisende Einlegerteil einstückig in dem fertiggestellten faserverstärkten Kunststoffbauteil integriert bleiben. Alternativ dazu kann das Einlegerteil nach dem Warmumform-Prozess gegebenenfalls auch vom faserverstärkten Kunststoffbauteil gelöst werden. In diesem Fall kann das Einlegerteil unter Zwischenlage einer zusätzlichen Entformungsschicht auf das Faserhalbzeug appliziert werden, um ein einfaches Ablösen des Einlegerteils vom fertiggestellten Kunststoffbauteil zu ermöglichen. After the hot-forming process, the insert part having the inductor can remain integrally integrated in the finished fiber-reinforced plastic component. Alternatively, the insert part may also be detached from the fiber-reinforced plastic component after the hot forming process. In this case, the Einlegerteil can be applied with the interposition of an additional Entformungsschicht on the semifinished fiber to allow easy detachment of the Einlegerteils of the finished plastic component.
In einer Ausführungsvariante kann das Einlegerteil das Faserhalbzeug großflächig, insbesondere vollständig, überdecken. Dadurch kann das Bindermaterial im Faserhalbzeug großflächig aufgeschmolzen werden. Speziell bei einer solchen großflächigen Auslegung des Induktors ist es von Vorteil, wenn die Trägerschicht und/oder der Induktor ausreichend flexibel gestaltet ist, der Formgebung im Warmumformwerkzeug beschädigungsfrei folgen zu können. Das Bindermaterial kann thermoplastisch oder duroplastisch sein. In one embodiment, the Einlegerteil the semi-finished fiber over a large area, in particular completely cover. As a result, the binder material in the semi-finished fiber can be melted over a large area. Especially with such a large-area design of the inductor, it is advantageous if the carrier layer and / or the inductor is designed sufficiently flexible to follow the shaping in the hot forming tool without damage. The binder material may be thermoplastic or thermosetting.
Je nach Bauteilgeometrie kann auf ein solches großflächiges Aufschmelzen des Bindermaterials im Faserhalbzeug verzichtet werden, und anstelle dessen das Faserhalbzeug nur lokal aufgeschmolzen werden. In diesem Fall können ein oder mehrere kleine Einlegerteile bereitgestellt werden, die das Faserhalbzeug nicht großflächig, sondern nur lokal überdecken. Depending on the component geometry can be dispensed with such a large-scale melting of the binder material in the semifinished fiber, and instead of the semi-finished fiber are only locally melted. In this case, one or more small inserts parts can be provided, which do not cover the semi-finished fiber product over a large area, but only locally.
Beim Aufheizvorgang kann gegebenenfalls die Trägerschicht von dem aufgeschmolzenen Bindermaterial durchtränkt werden, wodurch sich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Einlegerteil und dem Faserhalbzeug ergibt. During the heating process, if appropriate, the carrier layer can be impregnated by the molten binder material, resulting in a material-locking connection between the insert part and the semifinished fiber product.
Nachfolgend sind die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik nochmal stichpunktartig aufgelistet: So ist die erfindungsgemäße Induktionsheizung sehr gut speziell für enge Radien anwendbar, wie sie häufig in der Automobilindustrie zu finden sind. Die Anwendung für enge Radien liegt speziell in der sehr guten Formbarkeit des Einlegerteils begründet. Zudem kann das Einlegerteil großflächig oder nur lokal eingesetzt werden. Hohe Heizraten bewirken dabei eine effiziente Temperierung und eine geringe Zykluszeit bei der Binderaktivierung. Speziell einer flexiblen sowie drapierbaren Gestaltung des Einlegerteils kann dieses formvariabel eingesetzt werden. Das heißt, dass in einfacher Weise unterschiedliche Bauteil-Geometrien erzeugbar sind. Zudem ist die erfindungsgemäße Induktionsheizung sehr kostengünstig aufgebaut und daher ideal für den Prototypenbau geeignet. Im Vergleich zu anderen Aufheizsystem, wie Wasser- oder Ölleitungen im Umformwerkzeug, ist der technische Aufwand sowie der Bauraumbedarf äußerst gering.Below, the advantages of the invention over the prior art are again listed in a nutshell: Thus, the induction heating according to the invention is very well suited especially for tight radii, as they are often found in the automotive industry. The application for narrow radii is due in particular to the very good formability of the insert part. In addition, the Einlegerteil can be used over a large area or only locally. High heating rates result in efficient temperature control and a short cycle time for binder activation. Especially a flexible and drapable design of the Einlegerteils this can be used variably. This means that different component geometries can be generated in a simple manner. In addition, the induction heating according to the invention is very inexpensive and therefore ideally suited for prototype construction. In comparison to other heating system, such as water or oil lines in the forming tool, the technical complexity and space requirements is extremely low.
Der Aufheizprozess kann zudem mit mehreren Stufen erfolgen, so dass der Binderaufschmelzprozess an die notwendige Drapierungsreihenfolge angepasst werden kann. Schließlich wird durch Verwendung einer Induktionsheizung und zusätzlich auch durch die lediglich im Faserhalbzeug stattfindende Erwärmung ein hoher Effizienzgrad erzielt. The heating process can also be carried out with several stages, so that the Binderaufschmelzprozess can be adapted to the necessary Drapierungsreihenfolge. Finally, a high degree of efficiency is achieved by using an induction heater and additionally by the only occurring in the semifinished fiber heating.
Zur Durchführung des Warmumform-Prozesses kann das erfindungsgemäße Einlegerteil beispielsweise an einem Vakuumgreifer angebunden sein, da die Trägerschicht (Glasgewebe) luftdurchlässig ausgeführt werden kann. Weitere Anbindungsmöglichkeiten stellen Umformwerkzeuge dar.In order to carry out the hot forming process, the insert part according to the invention can be connected, for example, to a vacuum gripper, since the carrier layer (glass fabric) can be designed to be air-permeable. Further connection options are forming tools.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen. The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example, in cases of unambiguous dependencies or incompatible alternatives.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention and its advantageous embodiments and further developments and advantages thereof are explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen:Show it:
Anhand der
So werden zunächst gemäß der
Wie aus der
Zur Vorbereitung der Warmumformung wird dann der Zweischichtaufbau
In der
Das leitfähigen Material des Induktors
Während des Warmumformprozesses kann das Gewebe der Trägerschicht
In den
Je nach der Bauteil-Geometrie können anstelle eines großflächigen Einlegerteils
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