DE10156875A1 - Three-dimensional reinforcement structure for fiber-plastic composites and process for their production from a flat structure - Google Patents
Three-dimensional reinforcement structure for fiber-plastic composites and process for their production from a flat structureInfo
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Abstract
Aus ein- oder mehrlagig orientiert abgelegten Fasern oder Faserscharen gebildete dreidimensionale Verstärkungsstrukturen für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe weisen im Bereich von Drapierzonen angeordnete punktuelle und/oder linienförmige Versteifungen zur Bestimmung von Drapierfixpunkten und/oder Drapierflächen sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der 3-D-Freiformfläche der Verstärkungsstruktur auf (Fig. 2).Three-dimensional reinforcement structures for fiber-plastic composites formed from single-layer or multi-layer oriented fibers or fiber sheets have punctiform and / or linear stiffeners arranged in the area of draping zones for determining draping fixed points and / or draping surfaces as well as boundary lines and / or edge lengths of the 3-D -Free-form surface of the reinforcement structure on (Fig. 2).
Description
Die Erfindung betrifft Verstärkungsstrukturen für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher Verstärkungsstrukturen für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe. The invention relates to reinforcement structures for Fiber-plastic composite materials according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for producing such reinforcing structures for fiber-plastic composites.
Zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) werden in der Regel ebene oder dicken-dimensional verstärkte textile Verstärkungsstrukturen (Gewebe, Gelege usw) eingesetzt. Die Herstellung von dreidimensional ausgebildeten Formen bzw Geometrien findet durch eine mit einem Drapiervorgang verbundene Umformung statt. Häufig handelt es sich hierbei um einen gestapelten Aufbau aus mehreren Lagen einzelner textilen Flächengebilde. Sowohl bei trocknen Textilstrukturen als auch bei vorimprägnierten Systemen (z. B. thermoplastischen Plattenhalbzeugen oder Prepregs) kommt es zu Faltenbildungen des Halbzeuges bzw. des Lageraufbaus und zu Einschränkungen der umformbaren Geometrien (Breuer, UP. "Beitrag zur Umformtechnik gewebeverstärkter Thermoplaste" VDI Fortschritt-Berichte Reihe 2, Nr. 433, Düsseldorf VDI-Verlag 1997). For the production of components from fiber-plastic composite materials (FKV) are usually reinforced flat or thick-dimensional textile reinforcement structures (fabrics, scrims, etc.) are used. The Production of three-dimensional shapes or geometries takes place through a reshaping process associated with a draping process. Often this is a stacked structure made up of several Layers of individual textile fabrics. Both when drying Textile structures as well as pre-impregnated systems (e.g. thermoplastic Plate semi-finished products or prepregs) Semi-finished product or the warehouse structure and limitations of formable geometries (Breuer, UP. "Contribution to forming technology fabric-reinforced thermoplastics "VDI Progress Reports Series 2, No. 433, Düsseldorf VDI publishing house 1997).
Grund hierfür ist die textile Architektur, welche die Drapierfähigkeit determiniert. The reason for this is the textile architecture, which has drapability determined.
Für endlosfaserverstärkte Kunststoffe werden zur Verstärkung verschiedenartige textile Flächengebilde eingesetzt. Hierbei handelt es sich in der Regel um ebene Gewebehalbzeuge und verschiedenartige Gelege. Die Drapierfähigkeit solcher Textilien wird durch verschiedene Verfahrens- Parameter (Gewebetyp, Bindungsart des Geleges) des Textilprozesses beeinflußt und gilt für die komplette abgebildete Fläche. In einzelnen Prozessen, wie beispielsweise der Wirktechnik (Herstellung von multiaxialen Gelegen) ist es nur eindimensional möglich, die Drapierbarkeit beeinflußende Parameter (z. B. Anzahl und Art der Bindenähte) während der Flächenherstellung einzustellen und damit der Fläche lokal unterschiedliche Drapierbarkeiten zu verleihen. Bei Geweben ist die Drapierbarkeit durch die Wahl des Gewebetypes vorgegeben. For continuous fiber reinforced plastics are used for reinforcement different types of textile fabrics are used. This is in the Rule around flat fabric semi-finished products and various types of fabrics. The Drapability of such textiles is determined by various process Parameters (fabric type, type of weave of the scrim) of the textile process affects and applies to the entire area shown. In individual Processes, such as the knitting technology (production of multiaxial fabrics) it is only one-dimensional, the drapability influencing parameters (e.g. number and type of weld lines) during the surface production and thus the surface locally to give different drapeability. For fabrics this is Drapability dictated by the choice of fabric type.
Durch die Charakteristik und Eigenschaften der textilen Flächengebilde werden die folgenden Verarbeitungsprozesse und die mechanischen Eigenschaften des Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe bestimmt. Die Abbindung der Verstärkungsfasern kann über die Kreuzpunkte des Gewebes bzw einer Maschenform in Gelegen erfolgen. Ebenso sind klebetechnische Möglichkeiten denkbar. In der gestapelten fasrigen Verstärkungsstruktur werden Gleit- bzw Verformungsvorgaben in der Regel über die gesamte textile Fläche vorgegeben, die den weiteren Verarbeitungsprozess zum Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff beeinflussen. Due to the characteristics and properties of the textile fabrics the following processing and mechanical Properties of fiber-plastic composites are determined. The The reinforcement fibers can be tied via the cross points of the Fabric or a mesh shape can be done in scrims. Likewise are Possible adhesive technology. In the stacked fibrous Reinforcement structure are sliding or deformation specifications in the Usually specified over the entire textile area, the other Processing process for fiber-plastic composite influence.
Eine net-shape Fertigung von 3D-geformten Bauteilen ist somit nur unter Berücksichtigung bzw Kenntnis der genauen Drapiereigenschaften des Halbzeuges möglich. Die verschnittoptimierte Herstellung von 2D-Einzelteilen für 3D-Formkörper ist somit nur bedingt möglich. Hochdrapierfähige Halbzeuge wie beispielsweise Gelege mit Trikot-Bindung erzielen die Drapierbarkeit mittels der eingesetzten Fadenmenge bzw Fadenreserve in der Maschenstruktur die das Verstärkungsgelege bindet. Dieser maschenbildende Vorgang des Wirkens zur Herstellung von Multi-Axial-Gelegen findet nur in der Achse senkrecht zur Wirkeinheit statt (DE 196 24 912 A1 und DE 197 26 831 A1 und Hörsting K. + Huster M "Targetting cost reduction by FEA-designed reinforcement textiles"; Proceedings "ECCM-8", Neapel/June 1998, pp. 635-643). Der zusätzlich eingebrachte Faden wirkt in der Regel als störendes Element in der Faser-Kunststoff-Verbundstruktur. Dies zeigt sich beispielsweise in der Absenkung der in-plane Eigenschaften oder aber in erzielbaren Oberflächenqualitäten. Bei Geweben erfolgt die Drapierung über die Scherung der Fadenscharen in den Kreuzungspunkten. A net-shape production of 3D-shaped components is therefore only under Consideration or knowledge of the exact draping properties of the Semi-finished products possible. The waste-optimized production of 2D individual parts for 3D moldings are therefore only possible to a limited extent. Hochdrapierfähige Semi-finished products such as scrims with jersey binding achieve this Drapability by means of the thread quantity or thread reserve used the mesh structure that binds the reinforcement scrim. This stitch-forming process of knitting for the production of multi-axial scrims takes place only in the axis perpendicular to the knitting unit (DE 196 24 912 A1 and DE 197 26 831 A1 and Hörsting K. + Huster M "Targetting cost reduction by FEA-designed reinforcement textiles "; Proceedings" ECCM-8 ", Naples / June 1998, pp. 635-643). The additional thread introduced works in usually as a disruptive element in the fiber-plastic composite structure. This can be seen, for example, in the lowering of the in-plane properties or in achievable surface qualities. For fabrics, the Draping over the shear of the thread sheets in the Crossing points.
Der Erfindung liegt zunächst die Aufgabe zu Grunde, eine Verstärkungsstruktur für gattungsgemäße Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe zu schaffen, die einerseits Drapierzonen definiert und andererseits den Drapierzonen benachbarte andere Bereiche der Faser-Verstärkungsstruktur unberührt läßt, um hierdurch die spezifischen Eigenschaften der Faseren optimal nutzen zu können. The invention is based on the object, a Reinforcement structure for generic fiber-plastic composites create that defines draping zones on the one hand and the Draping areas adjacent to other areas of the Fiber reinforcement structure leaves untouched, thereby reducing the specific properties of the Optimal use of fibers.
Diese Aufgabe wird bei gattungsgemäßen Verstärkungsstrukturen für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe durch im Bereich von Drapierzonen angeordnete punktuelle und/oder linienförmige Versteifungen zur Bestimmung von Drapierfixpunkten und/oder Drapierflächen, sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur gelöst. This task is for generic reinforcement structures for Fiber-plastic composite materials in the area of draping zones arranged punctiform and / or linear stiffeners for Determination of draping fixed points and / or draping areas, as well as of Boundary lines and / or edge lengths of the reinforcement structure solved.
Durch die genaue Definition von Drapierzonen, Drapierflächen bzw Drapier-Fixpunkten, Gleit- oder Verformungszonen an den noch ebenen Zuschnitten der trockenen, paketartigen Verstärkungsstruktur werden einerseits maßhaltige, d. h. 2D Halbzeuge zur endkonturgenauen Herstellung von 3D Freiformflächen und andererseits ein gezieltes Umformen eines solchen Lagenaufbaus möglich. Through the precise definition of draping zones, draping areas or Drapier fixed points, sliding or deformation zones on the still flat Cut the dry, packet-like reinforcement structure on the one hand true to size, d. H. 2D semi-finished products for precise final contours Production of 3D free-form surfaces and, on the other hand, targeted forming of such a layer structure possible.
Gemäß einem weitergehenden Vorschlag der Erfindung, sind die Versteifungen von Nähten gebildet, die als Einzelstiche oder linienförmig oder flächenförmig gestaltet sein können. According to a further proposal of the invention, the Stiffening of seams formed as single stitches or linear or can be flat.
Durch die frei in der Ebene programmierbaren Nähte werden gleichzeitig mehrere Aspekte zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff- Verbundwerkstoff optimiert. Der Bauteilgeometrie entsprechende linien- oder flächenförmige Konturnähte ermöglichen ein positionsgenaues Ausschneiden der Verstärkungshalbzeuge und eine sehr vereinfachte Werkstückbestückung. Durch an die Faserorientierungen im Lagenaufbau angepaßtes Variation sowohl der Anzahl der Nähte als auch der Nährichtung können die in-plane Fasereigenschaften optimal genutzt werden. Für umformende Vorgänge ist durch die beschriebene Erzeugung von Gleitebenen usw. eine Reduzierung der Faltenbildung möglich, was sich auf die Qualität und die Eigenschaften des Bauteils aus Faser- Kunststoff-Verbundwerkstoffen (harzreiche Zonen, Faserondulationen, Faserverschiebungen) auswirkt. Ferner können die für die Imprägnierung entscheidenden Fließwege zwischen einzelnen Faserbünden durch die Einstellung der Faser-Packungsdichte verbessert werden. The freely programmable seams at the same time several aspects for the production of components from fiber-plastic Composite material optimized. Line-specific corresponding to the component geometry or flat contour seams enable a precise position Cutting out the semi-finished reinforcement and a very simplified Workpiece assembly. By the fiber orientations in the layer structure adjusted variation of both the number of seams and the Sewing direction can optimally use the in-plane fiber properties become. For forming processes is through the described generation of sliding planes, etc. a reduction in wrinkling possible, what the quality and properties of the component made of fiber Plastic composite materials (resin-rich zones, fiber undulations, Fiber shifts). They can also be used for impregnation decisive flow paths between individual fiber bundles through the Adjustment of the fiber packing density can be improved.
In der Ebene frei programmierbare Nähköpfe erlauben das exakte Einbringen von Fixpunkten, Fixgeraden oder Fixflächen, die bei einer Umformung Teilbereiche der Verstärkungsstruktur unbeeinflußt lassen und andere als Drapierzonen freigeben. Idealerweise wird das Drapiermuster direkt in die abgelegten Faser-Scharen ohne weiteren textilen Prozessschritt eingebracht. Aufgrund der nur minimalen Störung der ebenen Fasern, d. h. es sind keine Webmuster oder zusätzlich eingebrachte Wirkfäden vorhanden, kann die Ausnutzung der Verstärkungsfaser- Eigenschaften weiter gesteigert werden. An nicht abgebundenen Zonen der Faserscharen ist somit eine ideale Faser-Matrix-Kombination möglich. Die Fixierung der Fasern während der Imprägnierung kann über eine minimale Anzahl eingebrachter Nähte erfolgen. Durch Nähte die die gesamte Verstärkungsstruktur durchdringen, wird ein Zwischenlagen- Verschub vermieden. Unerwünschte Faltenbildungen treten durch die Charakteristik der flächig eindimensionalen Halbzeuge nicht auf oder können gezielt auf bestimmte Bereiche beschränkt werden. Freely programmable sewing heads on the plane allow exact Introduction of fixed points, straight lines or fixed surfaces, which at a Forming leave parts of the reinforcement structure unaffected and release other than draping zones. Ideally, the drape pattern directly into the deposited fiber coulters without additional textiles Process step introduced. Due to the minimal disturbance of the levels Fibers, d. H. there are no weaving patterns or additional ones Knitting threads available, the utilization of the reinforcing fiber Properties can be further increased. On zones that have not set an ideal combination of fibers and matrix is possible. The fibers can be fixed during the impregnation via a minimal number of seams. Through the seams penetrate the entire reinforcement structure, an intermediate layer Avoiding postponement. Undesired wrinkles occur through the Characteristic of the flat one-dimensional semi-finished products not on or can be limited to specific areas.
Für bestimmte Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, wenn die Versteifungen von ein- oder mehrlagigen Verstärkungsfaser-Paketen aus Geweben, Gelegen, Gestricken, Gewirken oder sonstigen Flächengebilden und/oder vorgefertigten textilen Verstärkungsgebilden, beispielsweise Preforms bestehen. For certain applications, it is advantageous if the stiffeners of single or multi-layer reinforcement fiber packages made of fabrics, Laid, knitted, knitted or other flat structures and / or prefabricated textile reinforcement structures, for example preforms consist.
Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden weiteren Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Verstärkungsstrukturen zu schaffen, werden vor der Drapierung der Verstärkungsstruktur in deren Abwicklung im Bereich von Drapierzonen punktuelle und/oder linienförmige Versteifungen zur Bildung von Drapierfixpunkten und/oder Drapierflächen, sowie von Begrenzungslinien und/oder Kantenlängen der Verstärkungsstruktur eingebracht. To achieve the further object on which the invention is based, a Process for the production of three-dimensional reinforcement structures to create, before draping the reinforcement structure in their Processing in the area of draping zones selective and / or line-shaped stiffeners to form draping fixed points and / or Draping areas, as well as boundary lines and / or edge lengths of the Reinforcement structure introduced.
Dabei können die Versteifungen durch frei programmierbare Nähte gebildet werden, deren Elastizität durch Variation des zur Verwendung kommenden Fadenmaterials und/oder durch Veränderung der Nähparameter wie beispielsweise Stichlänge, Fadenspannung verändert werden kann. The stiffening can be done by freely programmable seams are formed, the elasticity of which is varied by using the coming thread material and / or by changing the Sewing parameters such as stitch length and thread tension can be changed can.
Sofern ein mehrlagiges Halbzeugpaket im Rahmen einer eindimensionalen Umformung verformt werden soll, ist es zweckmäßig die Nähparameter eines jeweils unteren Lagenpaketes gegenüber den Nähparametern eines demgegenüber oberen Lagepaketes derart unterschiedlich zu gestalten, daß die in das stärker zu dehnende Lagepaket eingebrachte Fadenlänge größer als die in das weniger zu dehnende Lagepaket eingebrachte Fadenlänge ist. If a multi-layer semi-finished package as part of a one-dimensional Forming is to be deformed, it is advisable the sewing parameters of a respective lower layer package compared to the sewing parameters of one to make the top layer package so different, that the thread length introduced into the layer package to be stretched more larger than that in the less stretchable layer package Thread length is.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles. Further advantages of the invention result from the following Description of an embodiment shown in the drawings.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 Eine 3D-Freiformfläche für eine Kofferhalbschale mit Drapierzonen und Drapierebenen zur exakten Definition von Kantenlängen und unbeeinflußten Faserbereichen; Fig. 1 A 3D free-form surface for a case shell with draping zones and draping planes for the exact definition of edge lengths and unaffected fiber areas;
Fig. 2 Ein flächiges Halbzeug mit durch Nähte gebildeten Versteifungen zur Bildung von Drapierzonen und Drapierebenen für mehrere Bauteile für Kofferhalbschalen; Fig. 2 A flat semifinished product with stiffeners formed by seams to form draping zones and draping planes for several components for suitcase half-shells;
Fig. 3 einen Zuschnitt einer Verstärkungsfaserstruktur eines Bauteiles für eine Kofferhalbschale; Fig. 3 shows a blank of a reinforcing fiber structure of a component for a suitcase half-shell;
Fig. 4 eine Stapelung von Halbzeugen mit durch Variation der Nähparameter sowie unterschiedlicher Fadenlängen erzielten unterschiedlichen Drapiereigenschaften; Figure 4 is a stack of semi-finished products obtained with by varying the sewing parameters and different yarn lengths different drape.
In Fig. 1 ist eine Verstärkungsstruktur für eine Kofferhalbschale gezeigt, die von orientiert abgelegten Faserscharen 1 oder gestapelten Gewebe-Einzellagen 1 gebildet ist. Die Faserscharen 1 können in beliebigem Winkel, beispielsweise im Winkel von +/- 45° angeordnet sein. In die Verstärkungsstruktur sind von Nähten 2 gebildete Versteifungen eingebracht, die zur Fixierung der Kontur der Verstärkungsstruktur der Kofferhalbschale dienen. Die Form dieser Nähte 2 entspricht daher im Bereich der Drapierzonen exakt den geforderten Konturen der Kofferhalbschale sowie den drapiertechnischen Gegebenheiten. Im umgeformten Zustand der Verstärkungsstruktur ergeben die Nähte 2 Begrenzungslinien 3 bzw Kantenlängen 4 der 3D-Freiformfläche der Kofferhalbschale. In Fig. 1, a reinforcing structure for a suitcase half-shell is shown, the stacked or laid fibrous flocks of oriented single plies 1 Fabric 1 is formed. The fiber shares 1 can be arranged at any angle, for example at an angle of +/- 45 °. Stiffeners formed by seams 2 are introduced into the reinforcement structure and are used to fix the contour of the reinforcement structure of the case shell. The shape of these seams 2 therefore corresponds exactly in the area of the draping zones to the required contours of the case half shell and the draping conditions. In the deformed state of the reinforcement structure, the seams 2 define boundary lines 3 or edge lengths 4 of the 3D free-form surface of the case shell.
Fig. 2 zeigt einen Teilbereich einer ebenen Bahn einer Verstärkungsstruktur, in die die Versteifungen bildenden Nähte 2 eingebracht sind. In Fig. 2 sind daher die Abwicklungen 5 der 3D-Freiformflächen für insgesamt 6 Kofferhalbschalen zu erkennen, in denen die Nähte 2 im Bereich der Drapierzonen die Begrenzungslinien 3 sowie die Kantenlängen 4 der 3D- Freiformflächen der Kofferhalbschalen bilden. FIG. 2 shows a partial area of a flat web of a reinforcing structure, into which the stiffening seams 2 are introduced. In FIG. 2, therefore, the developments 5 of the 3D free-form surfaces for a total of 6 suitcase half-shells can be seen, in which the seams 2 in the area of the draping zones form the boundary lines 3 and the edge lengths 4 of the 3D free-form surfaces of the suitcase half-shells.
Das Einbringen der Nähte 2 in die Abwicklungen 5 der Verstärkungsstrukturen erfolgt im ebenen Zustand unter Zuhilfenahme von programmierbaren Nähköpfen, wobei die Faserscharen 1 mittels einer Legeeinheit in vorbestimmter Orientierung aufgelegt und in den Stichbildebereich von in der X- und Y-Richtung bewegbaren Nähköpfe gebracht werden. The seams 2 are introduced into the unwindings 5 of the reinforcement structures in the flat state with the aid of programmable sewing heads, the fiber sheets 1 being placed in a predetermined orientation by means of a laying unit and brought into the stitch formation area by sewing heads which can be moved in the X and Y directions.
Anschließend werden die einzelnen Zuschnitte 6 aus der Verstärkungsstruktur-Bahn ausgetrennt und beispielsweise entsprechend DE 10 00 5 202 A1 zum Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff weiter verarbeitet. Subsequently, the individual blanks 6 are cut out of the reinforcement structure web and processed further, for example in accordance with DE 10 00 5 202 A1, into the fiber-plastic composite material.
Die Elastizität der einzubringenden Nähte kann dabei durch unterschiedliche Nähparameter eingestellt werden. Dies geschieht über die Anpassung des verwendeten Fadenmaterials und/oder in das Halbzeug eingebrachten Fadenlänge. The elasticity of the seams to be brought in can different sewing parameters can be set. This is done through customization of the thread material used and / or in the semi-finished product introduced thread length.
In Fig. 4 ist die Situation eines eindimensionalen Umformvorganges bei einem aus zwei Lagenpaketen 7 bzw 8 gebildeten Halbzeugpaket gezeigt. Bei dem Umformvorgang wird das obere Lagenpaket 7 stärker gedehnt als das untere Lagenpaket 8. Demzufolge sind beim Einbringen einer Naht 9 in das obere Lagenpaket 7 die Stichlänge und auch die Länge des in das Lagenpaket 7 einzubringenden Fadens größer zu wählen als dies für die in das untere Lagenpaket 8 einzubringende Naht 10 erforderlich ist. In FIG. 4 the situation is shown a one-dimensional forming process at a location formed from two packs 7 or 8 Semi-finished package. In the forming process, the upper layer package 7 is stretched more than the lower layer package 8 . Accordingly, when inserting a seam 9 into the upper layer package 7, the stitch length and also the length of the thread to be inserted into the layer package 7 are to be chosen larger than is necessary for the seam 10 to be introduced into the lower layer package 8 .
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