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DE10106183A1 - Making components by re-forming continuous fiber-reinforced boards or pre-pregs, melts them only locally, for re-formation - Google Patents

Making components by re-forming continuous fiber-reinforced boards or pre-pregs, melts them only locally, for re-formation

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DE10106183A1
DE10106183A1 DE2001106183 DE10106183A DE10106183A1 DE 10106183 A1 DE10106183 A1 DE 10106183A1 DE 2001106183 DE2001106183 DE 2001106183 DE 10106183 A DE10106183 A DE 10106183A DE 10106183 A1 DE10106183 A1 DE 10106183A1
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DE
Germany
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fiber
board
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reinforced plastic
heating
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Jan Nowacki
Peter Mitschang
Stefan Giehl
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Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung von kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen. Bisher wird zur Umformung von kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen die gesamte Platine aufgeschmolzen. Dies führt zu Faserumorientierungen in der gesamten Platine, auch wenn die eigentliche Umformung nur an lokalen Stellen erfolgt und es sich ansonsten im wesentlichen um eine Rekonsolidierung der Platine handelt. Die Lösung des Problems besteht darin, die Kunststoffplatine nur lokal aufzuschmelzen und somit auch nur lokal umzuformen. Dies ist in Figur 1 dargestellt. Nur ein kleiner lokaler Bereich (1) der kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatine wird aufgeschmolzen. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wird der erwärmte Bereich umgeformt. In dem umgeformten Bereich (2) haben sich die Fasern umorientiert. Im restlichen Bereich der Kunststoffplatine (3), der nicht erwärmt wurde, bleibt die ursprüngliche Faserorientierung erhalten.The invention relates to a method for forming continuously fiber-reinforced plastic blanks. So far, the entire board has been melted to form continuously fiber-reinforced plastic boards. This leads to fiber reorientation in the entire board, even if the actual forming takes place only at local locations and otherwise it is essentially a reconsolidation of the board. The solution to the problem is to melt the plastic circuit board only locally, and thus only locally. This is shown in Figure 1. Only a small local area (1) of the continuously fiber-reinforced plastic board is melted. After the desired temperature has been reached, the heated area is formed. In the deformed area (2) the fibers have reoriented. In the remaining area of the plastic board (3), which was not heated, the original fiber orientation is retained.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Umformung von Bauteilen aus kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for local forming of components continuously fiber-reinforced plastic boards, according to the preamble of Claim 1.

Kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffhalbzeuge, sogenannte Organobleche, können heute wirtschaftlich mittels Doppelbandpresstechnik oder Prepregtechnologie (DE 197 34 417 C1) hergestellt werden. Diese dienen als Ausgangsmaterial für die Herstellung dünnwandiger, hochbelastbarer Strukturbauteile. Zur Herstellung von zwei- oder dreidimensionalen Formteilen müssen die Halbzeuge zunächst mittels einer Aufheizstation über Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs erwärmt werden. Die Umformung erfolgt durch Positionierung erwärmter Tafeln zwischen Ober- und Unterwerkzeug in einer Presse und sofortigem Schließen der bei Bedarf temperierten Formwerkzeughälften. Während der Abkühlung des Formteils auf die Werkzeugtemperatur kommt es zur Verfestigung des Kunststoffs, so dass nach dem Öffnen der Presse das fertig konsolidierte Formteil entnommen werden kann [Ziegmann, G.: Umformen im Diaphragma-Verfahren. In "Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix". Bartz, W. J. (Ed), Expert Verlag, Renningen Malmsheim (1997), S. 143-160], [O'Bradaigh, C. M., Pipes, R. B., Mallon, P. J.: Issues in Diaphram Forming of Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites. Polymer Composites. 12 (1991) 4, S. 246-256], [Breuer, U. P.: Beitrag zur Umformtechnik gewebeverstärkter Thermoplaste. Fortschrittsberichte VDI-2/433, Düsseldorf: VDI-Verlag 1997], [Börger, H.: Umformung mit Positiv-/Negativ-Presswerkzeugen (Match Mold Verfahren). In "Faserverbundwerkstoffe mit thermoplastischer Matrix". Bartz, W. J. (Ed), Expert Verlag, Renningen Malmsheim (1997), S. 132-142].Continuously fiber-reinforced semi-finished plastic products, so-called organic sheets, can today be economically manufactured using double-band press technology or prepreg technology (DE 197 34 417 C1). These serve as the starting material for the manufacture of thin-walled, heavy-duty structural components. To produce two- or three-dimensional molded parts, the semi-finished products must first be heated above the melting temperature of the thermoplastic by means of a heating station. Forming is carried out by positioning heated sheets between the upper and lower tools in a press and immediately closing the mold halves, which are tempered if necessary. During the cooling of the molded part to the mold temperature, the plastic solidifies, so that the fully consolidated molded part can be removed after opening the press [Ziegmann, G .: Forming in the diaphragm method. In "Fiber composite materials with a thermoplastic matrix". Bartz, WJ (Ed), Expert Verlag, Renningen Malmsheim ( 1997 ), pp. 143-160], [O'Bradaigh, CM, Pipes, RB, Mallon, PJ: Issues in Diaphragm Forming of Continuous Fiber Reinforced Thermoplastic Composites. Polymer composites. 12 ( 1991 ) 4, pp. 246-256], [Breuer, UP: Contribution to the Forming Technology of Reinforced Thermoplastics. Progress reports VDI-2/433, Düsseldorf: VDI-Verlag 1997 ], [Börger, H .: Forming with positive / negative pressing tools (Match Mold process). In "Fiber composite materials with a thermoplastic matrix". Bartz, WJ (Ed), Expert Verlag, Renningen Malmsheim ( 1997 ), pp. 132-142].

Aus dem Stand der Technik ist bekannt die komplette Kunststoffplatine in einem separaten Strahlerfeld außerhalb der Presse, meist mit Infrarotstrahlern, zu erwärmen und anschließend in einem Einkavitätenwerkzeug umzuformen. The complete plastic board in one is known from the prior art separate radiator field outside the press, usually with infrared radiators heat and then reshape in a single-cavity mold.  

Dies führt zu folgenden Problemen: Durch die nachfolgende Umformung verzieht sich die Verstärkungsstruktur und es erfolgt neben der Umorientierung der Fasern in der Umformzone (6) auch eine Umorientierung der Fasern in der restlichen Platine (7), siehe Fig. 2. Die Eigenschaften des Faserverbundes, welche durch die vorgegebenen Faserorientierungen der Platine (4, 5) definiert sind, werden durch die Umorientierung der Fasern wesentlich beeinflusst. Schon Abweichungen von wenigen Winkelgraden führen zu deutlichen mechanischen Eigenschaftsveränderungen des Verbundes [Ehrenstein, G. W.: Faserverbund- Kunststoffe. München. Carl Hanser Verlag 1992], [Erhard, G.. Konstruieren mit Kunststoffen. München. Carl Hanser Verlag 1998]. Das Aufheizen der gesamten Platine führt zudem zu einem unnötig hohen Energieaufwand und verlängerten Prozesszeiten, da bei konvektiver Aufheizung und bei Strahlungsquellen die Heizleistung nur ungenügend fokussiert werden kann. Der Einsatz einer Kontaktheizung bringt Probleme durch das Anhaften des aufgeschmolzenen Polymers an den Heizplatten mit sich. Weitere Aufheizungsmöglichkeiten, die man aus dem Bereich des Schweißens von faserverstärkten Kunststoffen kennt, wie Vibrationserwärmung oder induktive Erwärmung sind bisher noch nicht im Einsatz [Rudolf R.; Mitschang P.; Neitzel M.: Welding of high-performance thermoplastic composites Polymers & Polymer Composites Vol. 7 (1999), No. 5, pp. 309-315]. Durch die großflächige Beeinflussung der Faserorientierung kann ohne weitere Maßnahmen (DE 199 44 164) immer nur ein Bauteil aus einer Platine umgeformt werden. Weitere wesentliche Nachteile der heutigen Verfahrensweise sind das schwierige Handling der aufgeschmolzenen und somit biegeschlaffen Platinen und die Notwendigkeit von Niederhalte- beziehungsweise Nachführsystemen zur faltenfreien Umformung.This leads to the following problems: The subsequent shaping warps the reinforcing structure and, in addition to the reorientation of the fibers in the shaping zone ( 6 ), the fibers in the rest of the board ( 7 ) are also reoriented, see FIG. 2. The properties of the fiber composite Which are defined by the predefined fiber orientations of the board ( 4 , 5 ) are significantly influenced by the reorientation of the fibers. Even deviations from a few degrees of angle lead to significant changes in the mechanical properties of the composite [Ehrenstein, GW: fiber composite plastics. Munich. Carl Hanser Verlag 1992 ], [Erhard, G .. Construction with plastics. Munich. Carl Hanser Verlag 1998 ]. Heating the entire circuit board also leads to an unnecessarily high energy consumption and extended process times, since the heating power can only be insufficiently focused with convective heating and with radiation sources. The use of contact heating poses problems due to the fact that the melted polymer adheres to the heating plates. No other heating options known from the field of welding fiber-reinforced plastics, such as vibration heating or inductive heating, have yet been used [Rudolf R .; Mitschang P .; Neitzel M .: Welding of high-performance thermoplastic composites Polymers & Polymer Composites Vol. 7 ( 1999 ), No. 5, pp. 309-315]. By influencing the fiber orientation over a large area, only one component can ever be formed from a blank without further measures (DE 199 44 164). Other major disadvantages of today's procedure are the difficult handling of the melted and thus limp boards and the need for hold-down or tracking systems for crease-free forming.

Aufgabe der Erfindung ist es durch eine veränderte Aufheizung eine lokal begrenzte Umformung der Platine und somit eine lokale Neuorientierung der Verstärkungsfasern zu ermöglichen, ohne die Grundeigenschaften der restlichen Platine zu beeinflussen. Diese Vorgehensweise soll zu Energieeinsparungen und einer vereinfachten Prozessführung beitragen.The object of the invention is a locally limited by a modified heating Forming of the board and thus a local reorientation of the Enabling reinforcement fibers without the basic properties of the rest To influence circuit board. This approach is intended to save energy and contribute to simplified litigation.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by the method having the features of claim 1.  

Durch das lokal begrenzte Aufheizen der umzuformenden Platine wird nur den Faserbereichen eine Neuorientierung erlaubt, die sich innerhalb des aufgeschmolzenen Gebietes befinden. Fig. 3 zeigt die Neuorientierung von Fasern in der aufgeschmolzenen Zone (8) und die unbeeinflussten Faserorientierungen (4) und (5). Es wird nur so viel Energie in die Platine eingetragen, wie für die örtliche Aufheizung benötigt wird. Durch die Tatsache, dass die nicht erwärmten Platinenbereiche nach wie vor fest sind, erlaubt diese Vorgehensweise ein einfaches Handling der Platine mit Standard-Handhabungssystemen. Die Umformung selbst ist auf den notwendigen Bereich beschränkt und stellt somit für die Faserorientierung der Umgebung keine Problemzone dar. Auf Rückhalte- und Nachführsysteme kann demzufolge verzichtet werden.Due to the locally limited heating of the blank to be formed, only the fiber areas that are located within the melted area are allowed to reorient. Fig. 3 shows the reorientation of fibers in the melted zone ( 8 ) and the unaffected fiber orientations ( 4 ) and ( 5 ). Only as much energy is put into the board as is needed for the local heating. Due to the fact that the unheated areas of the board are still solid, this procedure allows easy handling of the board with standard handling systems. The forming itself is limited to the necessary area and therefore does not represent a problem area for the fiber orientation of the environment. Retention and tracking systems can therefore be dispensed with.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Show it

Fig. 1 lokal umgeformte Platine (3) mit der Aufwärmzone (1) und dem Umformbereich (2) Fig. 1 locally deformed board (3) to the heating zone (1) and the reshaping area (2)

Fig. 2 umgeformte Platine mit Grundfaserorientierung (4) und (5), Neuorientierungen im Umformbereich (6) und Desorientierungen in der Platine (7) Fig. 2 reshaped board with base fiber orientation (4) and (5) re-orientation in the forming region (6) and disorientation in the circuit board (7)

Fig. 3 lokal umgeformte Platine mit Grundfaserorientierung (4) und (5), Neuorientierungen im Umformbereich (8) Fig. 3 locally deformed board with base fiber orientation (4) and (5) re-orientation in the forming area (8)

Fig. 4 Koppelelement aus Platine (10) mit Lager (9) Fig. 4 coupling element made of circuit board ( 10 ) with bearing ( 9 )

Fig. 5 Platine (11) zur Mehrfachumformung in einem Pressenhub mit 8 lokalen Aufheizstellen (12) Fig. 5 circuit board (11) for multiple forming in a press stroke with 8 local Aufheizstellen (12)

Als Ausführungsbeispiele seien hier Varianten zur Herstellung von Elementen eines Koppelgetriebes aus faserverstärkten Kunststoffplatinen (Platinen) im Umformverfahren beschrieben. Bei der Herstellung solcher Koppelelemente (Fig. 4) aus ebenen Platinen (10) müssen nur die Bereiche für den Einbau der Lager (9) umgeformt werden. Der restliche Bereich der Platine ist eben. Für das längliche Bauteil ist die Ausrichtung der Fasern in Längsrichtung für die Biegeeigenschaften extrem wichtig. Die lokale Erwärmung der Platine außerhalb des Umformwerkzeugs kann mit Hilfe von Blenden für konventionelle Erwärmungsquellen, wie z. B. Infrarotstrahler oder angepassten Erwärmungsquellen (Spiralglühwendel), durchgeführt werden. Andere Erwärmungsmethoden, wie z. B. Kontakterwärmung sind ebenfalls denkbar. Beim Einsatz von Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern ist die induktive Erwärmung vorteilhaft, da diese sehr schnell, berührungslos und zielgerichtet eingesetzt werden kann. Wegen der lokalen Erwärmung und der dafür benötigten geringeren Wärmemenge, sind die verringerten Energiekosten ein weiterer Vorteil. Auch die zu konsolidierende Fläche (entspricht der aufgeschmolzenen Fläche) ist kleiner, was geringere Presskräfte und somit die Verwendung von kleineren Pressen erlaubt.Variants for producing elements of a coupling gear from fiber-reinforced plastic blanks (blanks) in the forming process are described here as exemplary embodiments. When producing such coupling elements ( Fig. 4) from flat boards ( 10 ), only the areas for the installation of the bearings ( 9 ) have to be reshaped. The rest of the board is flat. For the elongated component, the alignment of the fibers in the longitudinal direction is extremely important for the bending properties. The local heating of the board outside the forming tool can be done with the help of panels for conventional heat sources, such as. B. infrared radiators or adapted heating sources (spiral filament) can be performed. Other heating methods, such as B. Contact heating is also conceivable. When using carbon fibers as reinforcing fibers, inductive heating is advantageous because it can be used very quickly, without contact and in a targeted manner. Because of the local heating and the smaller amount of heat required for this, the reduced energy costs are a further advantage. The area to be consolidated (corresponding to the melted area) is also smaller, which allows lower press forces and thus the use of smaller presses.

Bei Verwendung eines Induktors zum Energieeintrag können weitere prozesstechnische Vorteile erreicht werden. Der Induktor kann in das Umformwerkzeug integriert werden, wodurch auf eine separate Erwärmungsvorrichtung und komplexere Transporteinheit verzichtet werden kann. Neben der finanziellen Einsparung, wird die Taktzeit durch die schnelle induktive Erwärmung und den Wegfall des Temperaturverlustes durch Transport deutlich gesenkt werden. Die Handhabung einer steifen, kalten Kunststoffplatine ist wesentlich einfacher als die einer aufgeschmolzenen Platine. Durch die lokale Erwärmung und Umformung wird eine Faserumorientierung in den nicht erwärmten Bereichen verhindert.When using an inductor for energy input, more can process-related advantages can be achieved. The inductor can in that Forming tool can be integrated, creating a separate Heating device and more complex transport unit can be dispensed with. In addition to the financial savings, the cycle time is due to the fast inductive Warming and the loss of temperature loss due to transport clearly be lowered. The handling of a stiff, cold plastic board is much easier than that of a melted board. By the local Heating and reshaping becomes a fiber orientation in the unheated Areas prevented.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil kann durch den Einsatz von Mehrkavitätenwerkzeugen erreicht werden. Wie beschrieben bleibt bei lokaler Aufheizung der nicht umzuformende Bereich einer Platine von der Umformung unbeeinflusst. Dies bedeutet, dass das Umformen mehrerer baugleicher oder auch unterschiedlicher Geometrien in einem Werkzeug während eines Pressenhubs möglich wird. Fig. 5 zeigt so eine Platine (11) die hier exemplarisch an 8 lokalen Stellen aufgeheizt wird, um in einem entsprechenden Werkzeug in einem Pressenhub den Einbauraum für 8 Lager zu schaffen. Aus der umgeformten Platine können durch späteres Besäumen oder Ausstanzen direkt 4 Koppelelemente gewonnen werden.Another major advantage can be achieved by using multi-cavity molds. As described, the area of a circuit board that is not to be formed remains unaffected by the deformation during local heating. This means that several identical or different geometries can be formed in one tool during a press stroke. Fig. 5 shows as a circuit board (11) which is exemplary here heated at 8 by local agents in order to provide an appropriate tool in a press stroke the installation space for 8 stock. Four coupling elements can be obtained directly from the formed board by later trimming or punching.

Die Art der Verstärkungsfasern (Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Polymer-, Naturfaser, usw.), die Verstärkungsstruktur (Gewebe, Gelege, Gewirke, Geflechte, usw.) sowie die Matrix (Polyamid, Polypropylen, Polyetheretherketon, usw.) können bei den faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffplatinen variieren.The type of reinforcing fibers (glass, carbon, aramid, polymer, natural fiber, etc.), the reinforcement structure (woven, laid, knitted, braided, etc.) and the matrix (polyamide, polypropylene, polyether ether ketone, etc.) can be used with the fiber reinforced thermoplastic plastic boards vary.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch Umformen von kontinuierlich faserverstärkten Kunststoffplatinen, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffplatine an einer oder mehreren Stellen lokal aufgeschmolzen und anschließend an diesen Stellen umgeformt wird.1. A process for the production of components by reshaping continuously fiber-reinforced plastic boards, characterized in that the fiber-reinforced plastic board is locally melted at one or more locations and then reshaped at these locations. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung außerhalb des Umformwerkzeugs mit Hilfe von Blenden für konventionelle Erwärmungsquellen, wie z. B. Infrarotstrahler oder angepassten Erwärmungsquellen (z. B. Spiralglühwendel) erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the heating outside the forming tool with the help of covers for conventional Heating sources, such as B. infrared heater or customized Heating sources (e.g. spiral filament) occur. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffplatinen mittels induktiver Erwärmung erfolgt.3. The method according to claim 1, characterized in that the heating for carbon fiber reinforced plastic boards using inductive Warming takes place. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor in das Umformwerkzeug integriert ist.4. The method according to claim 1 and 3, characterized in that the inductor is integrated in the forming tool. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Umformwerkzeug mehrerer Kavitäten befinden, so dass eine an mehreren Stellen aufgeschmolzene Platine in einem Pressenhub mehrfach lokal umgeformt werden kann.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that in the Forming tool of several cavities, so that one on several Place melted blanks locally several times in one press stroke can be reshaped. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Kavitäten um ein baugleiches oder auch geometrisch unterschiedliches Bauteil handeln kann.6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that it is the cavities by an identical or geometrically different Component can act. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbzeugen um Halbzeuge mit unterschiedlichen Verstärkungsstrukturen wie Fasergelege, Fasergewebe, Fasermatten, Fasergestricke, Fasergewirke oder unidirektionale Verstärkungen handelt. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that the semi-finished products are semi-finished products with different reinforcement structures such as fiber fabric, fiber fabric, Fiber mats, knitted fabrics, knitted fabrics or unidirectional Reinforcements.   8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Halbzeugen um vollständig imprägnierte oder auch teilimprägnierte Laminate (sogenannte Prepregs) handelt.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that the semi-finished products were completely impregnated or also partially impregnated laminates (so-called prepregs). 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Kunststoffe thermoplastisch jeglicher Art sein können.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that the plastics used are thermoplastic of any Can be kind. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Verstärkungsfasern in den Halbzeugen jeglicher Art sein können, vornehmlich Kohlenstoff-, Aramid-, Glas-, Polymer- oder Naturfasern.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that the reinforcing fibers used in the Semi-finished products of any kind can be, mainly carbon, aramid, Glass, polymer or natural fibers.
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