EP-4737103-A1 - SYSTEM FOR PERFORMING A MULTI-INJECTION RTM (RESIN TRANSFER MOLDING) PROCESS AND A REIN TRANSFER MOLDING METHOD

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Durchführung eines RTM (Resin Transfer Molding) - Verfahrens mit Mehrfachinjektionstechnik und ein diesbezügliches Verfahren, mit einem Formwerkzeug (W), welches eine obere Formhälfte (2) und eine untere Formhälfte (3) mit einer dazwischen ausgebildeten Formkavität (13) zum Einlegen einer Preform (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Hauptsteuereinheit (1) und mehrere Injektionseinheiten (4.1, 4.2.... 4.n) zum Zuführen von Harzgemisch in die Formkavität (13) aufweist und von den Injektionseinheiten (4.1, 4.2.... 4.n) mehrere Injektionspunkte (P1, P2.... Pn) in das Formwerkzeug (W) und in dessen Formenhohlraum (13) führen, wobei in das Formwerkzeug (W) und/oder die Injektionseinheiten (4.1, 4.2.... 4.n) Sensoren zur Überwachung von Prozessparametern integriert sind und die Sensoren mit der Hauptsteuereinheit (1) kommunizieren. Verfahrensgemäß erfolgt mit den mehreren Injektionseinheiten (4.1, 4.2 ... 4.n) über mehrere Injektionspunkte (P1, P2 ... Pn) ein Mehrfachinjektions-RTM-Prozess in das Formwerkzeug (W), welcher über die Hauptsteuereinheit (1) gesteuert wird, wobei eine Koordination zwischen der Hauptsteuereinheit (1), den einzelnen Injektionseinheiten (4.1, 4.2 ... 4.n) und den Sensoren im und am Formwerkzeug (W) und/oder den Injektionseinheiten (4.1, 4.2 ... 4.n) während des gesamten Mehrfachinjektions-RTM-Prozesses einschließlich eines Aushärtungsprozesses erfolgt.

Inventors

• Krämer, Dirk

Assignees

• 1C Composite Engineering GmbH

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20251029

Claims (20)

1. System zur Durchführung eines RTM (Resin Transfer Molding) -Verfahrens mit Mehrfachinjektionstechnik mit einem Formwerkzeug (W), welches eine obere Formhälfte (2) und eine untere Formhälfte (3) mit einer dazwischen ausgebildeten Formkavität (13) zum Einlegen einer Preform (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Hauptsteuereinheit (1) und mehrere Injektionseinheiten (4.1, 4.2.... 4.n) zum Zuführen von Harzgemisch in der Formkavität (13) aufweist und von den Injektionseinheiten (4.1, 4.2.... 4.n) mehrere Injektionspunkte (P1, P2.... Pn) in das Formwerkzeug (W) und in dessen Formkavität (13) führen, wobei in das Formwerkzeug (W) und/oder die Injektionseinheiten (4.1, 4.2.... 4.n) Sensoren zur Überwachung von Prozessparametern integriert sind und die Sensoren mit der Hauptsteuereinheit (1) kommunizieren und dass das Werkzeug (W) mehrere Harzauslässe (14) aufweist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in das Formwerkzeug Sensoren zur Erkennung des Fließverhaltens des injizierten Harzgemisches integriert sind, insbesondere Fließerkennungssensoren in Form von Druck-, Optische- und/oder Ultraschallsensoren und dass an mindestens einem Harzauslass des Formwerkzeuges mindestens ein kapazitiver Sensor an einem Entlüftungsschlauch angeordnet ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsteuereinheit (1) als Gehirn der Anlage (Master) mit den Injektionseinheiten (4.1, 4.2.... 4.n) zur Übertragung von Befehlen gekoppelt ist und dass insbesondere die in das Formwerkzeug (W) integrierten Sensoren Daten an die Hauptsteuereinheit (1) in Echtzeit übertragen.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Hauptsteuereinheit (1) über die in Echtzeit kontinuierlich übertragenen Daten kritische Daten anzeigbar sind und/oder der Status eines RTM-Prozesses anzeigbar ist, wobei insbesondere mit der Hauptsteuereinheit (1) Daten aus dem Formwerkzeug analysierbar sind, um die Leistung jeder einzelnen Injektionseinheit und die Harzverteilung innerhalb der Form zu bewerten und das mit der Hauptsteuereinheit die tatsächlichen Prozessparameter mit vordefinierten Zielen oder Sollwerten vergleichbar sind, insbesondere um festzustellen, ob Anpassungen erforderlich sind.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Hauptsteuergerät (1) geänderten Parameter an jede einzelne Injektionseinheit (4.1, 4.2 ... 4.n) übertragbar sind, so dass in jeder Injektionseinheit diese Einstellungen unabhängig voneinander umsetzbar sind.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mit den Sensoren an die Hauptsteuereinheit (1) übermittelten Daten die Position von Fließfronten bestimmbar ist, wobei bevorzugt durch die Erkennung von Harzfließfronten durch die Hauptsteuereinheit (1) erkennbar ist, an welchen Stellen sich Harzfließfronten treffen werden.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Hauptsteuereinheit (1) ein Bereich des Zusammentreffens der Harzfließfronten zu einem Harzauslass (14) und/oder einer Entlüftungsöffnung des Formwerkzeuges (W) leitbar ist.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit von Fließfronten mittels Änderung des Injektionsdrucks und/oder Änderung der der Durchflussmengen der einzelnen Injektionseinheiten veränderbar ist, um sie zu einem Harzauslass (14) und/oder einer Entlüftungsöffnung des Formwerkzeuges (W) leiten.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgangsseitig am Formwerkzeug (W) oder dessen Harzauslass (14) oder einem dem Harzauslass (14) nachgeordneten Bereich mindestens einen Sensor zur Erkennung von Luftblasen im Harzgemisch aufweist,
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor zur Erkennung von Luftblasen in Form eines kapazitiven Sensors (15) und/oder eines optischen Sensors ausgebildet ist.
11. System nach Anspruch10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Anordnung des Sensors zur Erkennung von Luftblasen ein mit dem Harzgemisch durchflossener Bereich als durchsichtiger Bereich (15.1) ausgebildet ist und dass außen am durchsichtigen Bereich der kapazitive Sensor 15 und/oder der optische Sensor angeordnet ist.
12. System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Sensoren zur Erkennung von Luftblasen mit der Hauptsteuereinheit (1) verbunden sind und Informationen über die Menge der im Harzgemisch vorhandenen Luftblasen an die Hauptsteuereinheit (1) übertragen und dass mit der Hauptsteuereinheit ein Signal an die Harzverschließeinheit übermittelbar ist, um die Harzauslässe automatisch zu schließen und zu öffnen.
13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Formwerkzeug (W) mindestens ein Drucksensor (5) angeordnet ist, mit dem der Innendruck im dem Formwerkzeug (W) während des Injektionsvorgangs messbar ist und dass mittels mindestens eines weiteren Drucksensors vor dem Formwerkzeug (W) der Injektionsdruck bestimmt wird und der Innendruck und der Injektionsdruck an das Hauptsteuergerät (1) übermittelbar und mit einer Steuerlogik mit vorher definierten maximalen Druckwerten vergleichbar und steuerbar sind.
14. Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM-Verfahren), durchgeführt mit einem System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den mehreren Injektionseinheiten (4.1, 4.2 ... 4.n) über mehrere Injektionspunkte (P1, P2 ... Pn) ein Mehrfachinjektions-RTM-Prozess in das Formwerkzeug (W) erfolgt, welcher über die Hauptsteuereinheit (1) gesteuert wird, wobei eine Koordination zwischen der Hauptsteuereinheit (1), den einzelnen Injektionseinheiten (4.1, 4.2 ... 4.n) und den Sensoren im und am Formwerkzeug (W) und/oder den Injektionseinheiten (4.1, 4.2 ... 4.n) während des gesamten Mehrfachinjektions-RTM-Prozesses einschließlich eines Aushärtungsprozesses erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsteuereinheit (1) als Gehirn der Anlage (Master) dient und Befehle an die einzelnen Injektionseinheiten überträgt, und dass die Injektionseinheiten als Ausführer der Befehle (Slave) fungieren und dass vorteilhafter Weise das Hauptsteuergerät die erforderliche Änderung der Prozessparameter an jede einzelne Injektionseinheit (4.1, 4.2 ...4.n) übermittelt, so dass jede Injektionseinheit (4.1, 4.2 ...4.n) diese Änderungen unabhängig voneinander erhält und umsetzt.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder15, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren, die in das System eingebettet sind, kontinuierlich in Echtzeit Daten an die Hauptsteuereinheit (1) übertragen und mittels der Hauptsteuereinheit der Status und die Dynamik des RTM-verfahrens ermittelbar / anzeigbar ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptsteuereinheit die mittels der Sensoren im Formwerkzeug ermittelten und an die Hauptsteuereinheit übertragenen Daten analysiert und Leistung jeder einzelnen Injektionseinheit und die Harzverteilung innerhalb der Form bewertet und diese Daten der tatsächlichen Ist-Prozessparameter mit vordefinierten Sollwerten vergleicht und bei Abweichungen von den Sollwerten erforderliche Änderungen der Prozessparameter durch die Hauptsteuereinheit definiert werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Echtzeit-Kommunikation zwischen den im Formwerkzeug (1) verwendeten Sensoren und der Hauptsteuereinheit die Position von Harzfließfronten detektiert und, dass mittels der Hauptsteuereinheit ermittelbar ist, an welchen Stellen im Formwerkzeug (1) sich Harzfließfronten treffen werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Zusammentreffens der Fließfronten zu einem Entlüftungspunkt geleitet wird, wofür die Geschwindigkeit der Fließfronten durch Änderung der Injektionsdrücke der Injektionseinheiten (4.1, 4.2 ... 4.n) und/oder die Durchflussmengen veränderbar ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass während des Injektionsverfahrens Luftblasen und die Menge der Luftblasen im Harzgemisch, welches aus den Harzauslässen des Formwerkzeuges austritt, mittels kapazitiver Sensoren und/oder optische Sensoren erkennt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Durchführung eines RTM (Resin Transfer Molding) - Verfahrens und ein Resin-Transfer-Moulding-Verfahren nach dem Oberbegriff des ersten und siebzehnten Patentanspruchs. Das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Molding-Verfahren) ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen mit hervorragenden Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig niedrigem Gewicht. Es ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien mit hoher Präzision und sehr guter Reproduzierbarkeit. Beim RTM-Verfahren werden trockene Verstärkungsmaterialien wie Glas- oder Kohlenstofffasern in eine Formkavität eingebracht. Die Form wird dann geschlossen, wodurch eine abgedichtete Umgebung entsteht. Anschließend wird Harz unter Druck in die Kavität eingespritzt, wodurch die Verstärkungsmaterialien mit Harz getränkt werden und die Form gefüllt wird. Das Harz kann Zusatzstoffe wie Katalysatoren oder Härter enthalten, um Aushärtungs- oder Vernetzungsreaktionen einzuleiten. Die Form wird in der Regel evakuiert und beheizt, um das Fließverhalten des Harzes zu verbessern (Viskositätsminderung) und den Aushärtungsprozess zu initiieren bzw. zu beschleunigen. Sobald das Harz die Verstärkungsmaterialien vollständig imprägniert hat und ausgehärtet ist, wird die Form geöffnet und das fertige Bauteil entnommen. Bekannterweise wird das RTM-Verfahren bei niedrigem Druck (bis etwa 3 bar) und niedriger Temperatur (bis etwa 70°C) betrieben, was es für die Herstellung von Verbundstoffteilen besonders geeignet macht. Beim ebenfalls bekannten Hochdruck-RTM-verfahren wird ein höherer Druck (bis etwa 40 bar) verwendet, der einen schnelleren Harzfluss ermöglicht. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass sich die Verstärkungsfasern aufgrund des erhöhten Injektionsdrucks unzulässig verschieben und die Faserorientierung im Bauteil nicht mit der geplanten Spezifikation übereinstimmt. Dieser Mechanismus erschwert die Herstellung großformatiger Bauteile mit hohen Faser-Volumen-Anteilen im RTM-Verfahren. Typischerweise werden Harz- und Werkzeugtemperatur für kürzere Verarbeitungszeiten erhöht. Dies führt zu einer geringeren Viskosität und damit zu einer höheren Fließgeschwindigkeit des Harzes. Durch die Erwärmung verringert sich auch die Zeit, die für den Aushärtungsprozess benötigt wird. Wird bei der Herstellung von großen Bauteilen mit langen Harzfließwegen die Harztemperatur über einen längeren Zeitraum erhöht, kann die Aushärtereaktion zu schnell initiiert werden. Aufgrund der Gelierung des Harzes bei Beginn der Aushärtereaktion wird der Harzfluss erschwert und kann vollständig zum Erliegen kommen, bevor die gesamte Form gefüllt ist. Die Verstärkungsfasern werden unzureichend getränkt und das Bauteil erreicht nicht die geforderten Eigenschaften. Die Harzzuführung erfolgt typischerweise mit Hilfe einer Injektions-Vorrichtung, mit der das Harz (im korrekten Mischungsverhältnis mit dem bei 2K-Systemen erforderlichen Härter) über einen Mischkopf in das Formwerkzeug injiziert wird. Die meisten der derzeit genutzten RTM-Anlagen verwenden eine Injektion-Vorrichtung mit einem Injektionsanschluss (Einpunkt-Injektionssystem). Bei der Herstellung großer Bauteile sorgt das für eine eingeschränkte Designflexibilität und es besteht ein höheres Risiko für eine ungleichmäßige Harzverteilung, von Trockenstellen und einer höheren Zykluszeit. Vor allem in der Luft- und Raumfahrt, wo die Anforderungen an leichte, hochfeste Bauteile besonders hoch sind, stoßen herkömmliche RTM-Verfahren auf Probleme bei der Gewährleistung einer gleichmäßigen Produktion von Verbundwerkstoffteilen. Das RTM-Verfahren wird seit mehreren Jahren zur Herstellung von Integralbauteilen verwendet. Es ist ein Harzinfusionsverfahren und wird meist zur Herstellung von Faserverbundbauteilen verwendet. Laut Wikipedia ist das Resin Transfer Moulding oder Resin Transfer Molding (RTM) ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Duroplasten und Elastomeren. Im Vergleich zum Pressen wird hierbei die Formmasse mittels Kolben von einer meist beheizten Vorkammer oder Verteilerkanale in das Formnest eingespritzt, worin sie unter Warme und Druck aushärtet. Als Formmasse können Formaldehydharze (PF, MF usw.) und Reaktionsharze (UP, EP) mit kleinen Füllstoffpartikeln und Elastomere verwendet werden. Zu Beginn eines Zyklus befindet sich eine vorplastifizierte und dosierte Formmasse in einer Vorkammer. Zunächst wird das Werkzeug geschlossen. Danach wird die Formmasse ins Werkzeug eingespritzt und für eine bestimmte Zeit im Werkzeug belassen. Bei dieser sogenannten Verweilzeit kommt es zum Reagieren oder Vulkanisieren der Formmasse. Sie ist dabei von verschiedenen Faktoren abhängig (Harztyp, Füllstoff, Verarbeitungsdruck und - temperatur). Ist die Verweilzeit beendet, kann das Werkzeug geöffnet werden. Die zuvor eingefüllte Formmasse ist nun fest (ausgehärtet) und wird jetzt als Formteil bezeichnet. Dieses kann nun aus dem Werkzeug entformt werden. Danach erfolgt die Reinigung d