DE10012378C2 - Verfahren zur Anhaftung von faserverstärkten Thermoplastbändern auf einer Werkzeugplattform - Google Patents

Abstract

Beim Ablegen von Thermoplastbändchen besteht eine mangelhafte Anhaftung zwischen Werkzeug und Materialoberfläche. Das Aufbringen einer ersten Decklage ist aber essentiell für die Herstellung von Formteilen. Die resultierenden Ablöseerscheinungen während des Anlegeprozesses verhindern das Ablegen weiterer Schicht auf der ersten Lage und somit die Herstellung von Bauteile bzw. insbesondere von konkaven Konturen. Bisher wurde versucht, die faserverstärkten Thermoplastbändchen mittels doppelseitigem Klebeband oder Unterdruck auf der Werkzeugoberfläche zu halten. DOLLAR A Durch Aufbringen einer Gleichspannung (1) zwischen einer mit einer isolierenden Schicht (8) versehenen Werkzeugplattform (3) und den in einem Thermoplastband (10) befindlichen Kohlenstoffasern (12) wird ein elektrostatisches Feld erzeugt, das ein Anhaften des Thermoplastbandes auf der Werkzeugoberfläche ermöglicht. DOLLAR A Durch das neue Verfahren können mit dem Tapelegeverfahren faserverstärkte Thermoplastbänder auf einer Werkzeugoberfläche automatisiert abgelegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablegen von faserverstärkten Thermoplastbändern auf einer Werkzeugplattform mit Hilfe des Tapelegeverfahrens nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Mit dem Begriff Tapelegen, oder im Englischen Tape/Tow Placement bzw. Fiber Placement, wird das automatisierte richtungs- und positionsunabhängige Ablegen von unidirektional faserverstärkten Kunststoffbändchen auf ebenen oder gekrümmt flächigen Strukturen bezeichnet. Tapelegen ermöglicht eine beanspruchungsgerechte Faserorientierung und -positionierung im Bauteil. Die Bändchen können in unterschiedlicher Breite bzw. Dicke entweder einzeln oder mehrere gleichzeitig abgelegt werden.

Zur Positionierung und Orientierung des Tapelegekopfes (TLK) (Fig. 2) 5 auf großflächigen, Strukturen dient ein Mehrachsportalsystem oder ein Knickarmroboter 13. Auf diesem sind sowohl die Spule für Bändchenhalbzeuge 7 als auch der Tapelegekopf 5 samt Aufheizvorrichtung 11 montiert. Die wesentlichen Komponenten des TLK sind neben der Aufheizvorrichtung die Andrückvorrichtung 6, der Schneidemechanismus und die Bandvorschubeinheit. Das Bändchen 10, wird mit Hilfe einer integrierten Vorschubeinheit bis zur Andrückvorrichtung 6 transportiert. Der TLK wird auf eine drehbar 12 gelagerte Werkzeugplattform 3 aufgesetzt. Das Bändchen wird nun während des Legeprozesses auf Schmelztemperatur aufgeheizt und unter Applizierung des Konsolidierungsdrucks auf der Werkzeugoberfläche oder dem bereits abgelegten Laminat abgelegt. Am Ende einer Bahn wird das Bändchen durch eine Schneideinheit durchtrennt und der TLK nach der Fertigstellung der Ablage von der Werkzeugplattform abgesetzt.

Obwohl der derzeitige Entwicklungsstand des Legeprozesses selbst eine Bauteilfertigung ermöglichen würde, können heute kontinuierlich faserverstärkte, thermoplastische Bauteile noch nicht wirtschaftlich mittels der Tapelegetechnik hergestellt werden. Ursächlich dafür ist die bisher nicht serientaugliche Lösung des Erstlagenproblems: Die Verbindung bzw. Haftung der Thermoplastbändchen untereinander wird durch Aufheizen und Konsolidieren während des Prozesses gewährleistet. Allerdings muß für den kontinuierlichen Prozeß zunächst eine erste Lage von Thermoplastbändern aufgebracht werden. Das Erstlagenproblem besteht damit aus der reversiblen Anbindung faserverstärkter Thermoplastbänder auf einer konturierten Werkzeugoberfläche unter der Maßgabe, daß das fertige Bauteil wiederum problemlos von der Werkzeugoberfläche abgenommen werden kann. Aus diesem Grund scheiden Lösungen aus, die die Werkstoffeigenschaften und Oberfläche des Bauteils durch chemische Prozesse, Verunreinigungen, Beschädigungen etc. nachteilig beeinflussen wie z. B. Aufbringen von Klebstoffen, Klebebändern etc. [Steiner, Karl: Einsatz einer robotergesteuerten Anlage zum Bandablegen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen, Dissertation, Newark, 1995]. Weiterhin muß sowohl verfahrenstechnisch als auch wirtschaftlich eine Serientauglichkeit insbesondere für sehr große Bauteile, wie sie für die Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, gewährleistet sein. Daher scheiden auch Lösungen wie z. B. eine mit Unterdruck beaufschlagte Werkzeugplattform aus gesintertem Aluminium (z. B. Metapor) oder mit Ansauglöchern versehene Werkzeuge [Kim, H. J.; Lee, W. I; Sihn, S. W.; Tsai, S. W.: Flow and heat transfer analyses during tape lay-up process of thermoplastic composite, I. Crivelli Visconti, ECCM-8, vol. 2, Cambridge 1998, S. 631-636] aus. Das Erstlagenproblem ist demnach noch nicht serientauglich gelöst und wird in nahezu allen Veröffentlichungen nicht behandelt [Ahrens, Markus; Mallik, Vishal: Automated manufacturing of carbon fibre reinforced thermoplastics, in: Advanced Composites Bulletin, August 1998, S. 7-8/Ahrens, M.; Mallick, V.; Parfrey, K.: Roboter legen Thermoplastfasern in Verbundwerkstoffe ein; in: ABB Technik 2/1998, Dornbirn 1998, S. 27-34/Ahrens, Markus: Fibre placement offers cheaper composites; in: Reinforced Plastics, vol. 42 Nr. 6, Oxford 1998, S. 25/Maison, Serge et. al.: Technical developments in thermoplastic composite fuselages; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 5, September/October 1998, S. 33-39/Johnston, N. J. et. al.: Automated Fabrication of high performance composites: An overview of research at the Langley Research Center; in: International conference on composite Materials, Gold Coast, Australia, July 14-18, 1997/N. N.: Automated Fiber Placement Technology, FirmenprospektfHauber, David E.; Hardtmann, Dirk J.; Bubeck, Kenneth B.: Recent advances in thermoplastic composite fabrication using rows; in: 35th International SAMPE Symposium, April 2- 5, 1990/N. N.: Fiber Placement Equipment from Automated Dynamics, http://www.global2000.net/­ adc/fiber.htm, 9.4.1999/Heider, Dirk; Piovoso M. J.; Gillespie, J. W. Jr.: Intelligent Control of the Thermplastic Composite Tow-Placement Process; in: Journal of Theroplastic Composite Materials, Vol. 11-Nov. 1998/Don, Roderic C.; Holmes, Scott T.; Steiner, Karl V.; Gillespie, J. W. Jr.: Integrated process models for control of thermoplastic tow Placement with on line consolidation; in: 25th international SAMPE technical conference, Okt. 26-28, 1993/Zender, H.: Einsatz von Industrierobotern zur Fertigung von Faserverbundbauteilen im Wickel- und Tapelegeverfahren, Dissertation, VDI Fortschrittsberichte, Reihe 2: Fertigungstechnik, VDI-Verlag, Düsseldorf 1992/Schmidt, Ralph: Entwicklung innovativer Fertigungstechniken zur Verarbeitung kontinuierlich faserverstärkter Thermoplaste im Wickelverfahren, Dissertation, VDI Fortschrittsberichte, Reihe 2: Fertigungstechnik, VDI-Verlag, Düsseldorf 1994/Maison, Serge et. al.: Technical developments in thermoplastic composite fuselages; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 5, September/October 1998, S. 33-39/N. N.: Dassault-Aviation's know-how for composite materials; in: Composites, Nr. 31 Jan./Feb. 1999/Du Pont, Patentschrift, US 5447586, 5.9.1995/Weck, M.; Michaeli, W.; Sonderforschungsbereich SFB 332, Bericht 1997, Teilprojekt 4, S. 175-184/Weck, M.; vor dem Esche, R.: Neue Wege zur Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen; in: Industrielle Anwendung der Faserverbundtechnik III, Fachtagung am 5./6. Oktober 1998 an der RWTH Aachen, S. 125- 128/vor dem Esche, R.: Laserscanner zur Optimierung des Aufheizverfahrens, Messeblatt, 1998/vor dem Esche, R.: Verarbeitungsverfahren für faserverstärkte Thermoplaste, Messeblatt, 1998/Johnston, N. J.: Thermoplastic Composite Fabrication by Automated Robot Heated Head Technology; in: http://larcpubs.larc.nasa.gov/randt/1995/SectionB1.fm514.htm, 11.3.1999/Johnston N. J.; Towell T. W.; Machello J. M.; Grenoble R. W.: Automated fabrication of high preformence composites: an overview of research at the Langley Research Center; in: International Conference on Composite Materials, Gold Coast, Australia, July 14th-18th 1997/Shuart M. J.; Johnston N. J.; Dexter H. B.; Marchello J. M.; Grenoble R. W.: Automated fabrication technologies for high performance polymer composites; in: AGARD spring '98 Workshop on Intelligent Processing of high performance Materials, Brussels, Belgium, May 11th-15th 1998, p. 14-1-14-11/Grenoble, Ray W.; Messier, Bernadette C.; Marchello, Joseph M; Belvin, Harry L.; Johnston, Norman J.: Adhesive Bonding of composite ribbon during automated tow placement; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 3, May/June 1998, S. 56-61/Offenlegungsschrift DE 196 26 662 A1, Johnson, Bruce]. Im Bereich der Herstellung von duromeren, kurzfaserverstärkten Prepregs ist die Verwendung elektrostatischer Kräfte zur gezielten Faserorientierung und Ablagerung auf einer elektrisch isolierten Oberfläche (Trägerschicht) bekannt. [Patentschrift DE 31 27 017 C2]. Dort werden jedoch Kurzfasern entsprechend einer vorgegebenen Beanspruchung in mehreren Schichten abgelegt. Demgegenüber werden bei dem von der Anmelderin eingereichten Patentanspruch Thermoplastbänder durch elektrostatische Aufladung zum Anhaften an einer Werkzeugoberfläche beim automatischen Ablegen gebracht.

Durch die Erfindung soll ein Verfahren zur automatisierten Herstellung von dünnwandigen, belastungsoptimierten Faserverbund-Formteilen, welche aus thermoplastischen, kontinuierlich faserverstärkten Bändern aufgebaut werden, bereitgestellt werden, und das Verfahren soll durch einen vollautomatisierten Prozeß mit Hilfe des Tapelegeverfahrens auf einer temperierten oder untemperierten Werkzeugplattform durchgeführt werden können. Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 basiert auf den Haftmechanismen der Elektrostatik. Die beiden dafür notwendigen Leiter werden durch die metallische Werkzeugplattform und eine leitende Faser oder ein leitendes Polymer gestellt (Fig. 1). Als isolierendes Medium zwischen den beiden Leitern kann zum einen der Thermoplast selbst dienen. Zum anderen wird die Werkzeugplattform mit einem hitzebeständigen Isolator beschichtet, z. B. Keramik, Teflon etc., da im Falle von Kohlenstoffasern, die sich in der Regel auch an der Bändchenoberfläche befinden, oder leitenden Polymeren ein Kurzschluss entstehen würde.

Nach den heutigen Erkenntnissen über den Aufbau der Materie bestehen die Atome aus elektrisch geladenen und elektrisch neutralen Teilchen. Ein einfaches Modell stellt das Atom durch einen positiven Kern, der aus positiv geladenen Teilchen (Protonen) und neutralen Teilchen (Neutronen) besteht dar, um den die negativ geladenen Elektronen kreisen. Das Atom erscheint nach außen neutral, wenn die Summe der positiven Ladungen gleich der gesamten negativen Ladung der umkreisenden Elektronen ist. Findet eine Trennung solcher geladener Teilchen statt, so treten diese als positive bzw. negative Ladung auf. Überwiegen auf einem Körper die positiven oder negativen Ladungen, so wird dieser als elektrisch positiv bzw. negativ geladen bezeichnet.

In der Feldtheorie wird davon ausgegangen, dass mit der Ladung die Existenz eines elektrischen Feldes verknüpft ist, das in ihrer Umgebung besteht. Befindet sich in der Umgebung des Körpers ein Zweiter, wird auf diesen eine Kraft ausgeübt, die aus den Wechselwirkungen zwischen der Ladung des zweiten Körpers und dem Feld des ersten aufgefasst wird. Ruhen die Ladungen, die ein elektrisches Feld erzeugen, so handelt es sich um ein elektrostatisches Feld.

Zur vollständigen Beschreibung des elektrischen Feldes reicht es jedoch nicht aus, wenn die Richtung der Kraftlinien angegeben wird. Es muss auch noch für jeden Punkt der Betrag der Kraft angegeben werden können, die das Feld auf einen Probekörper mit der Ladung Q ausübt. Die Kraft, die im elektrischen Feld auf eine Probeladung wirkt, ist zu deren Ladung proportional. Sie ist jedoch ungeeignet zur eindeutigen Beschreibung der Stärke eines Feldes, da sie von der Größe der Ladung abhängt. Durch eine Anordnung zueinander paralleler Elektroden erhält man ohne Berücksichtigung der Randbereiche ein homogenes Feld.

Im Gegensatz zu elektrischen Leitern sind bei Isolatoren die Elektronen nicht frei beweglich. Befindet sich ein Isolator (Dielektrikum) in einem elektrostatischen Feld, so wird auch dieser angezogen, obwohl eine freie Verschiebung der Ladung nicht möglich ist. Die im Atom oder Molekül gebundenen Ladungen richten sich unter dem Einfluss des Feldes aus. An den Außenflächen entstehen so Flächenladungen, auf die das Feld eine Kraftwirkung ausübt. Dieser Vorgang wird als elektrische Polarisation bezeichnet. Da es sich hierbei lediglich um eine Polarisation durch die wirkenden Feldkräfte handelt, bleibt der Isolator als Ganzes elektrisch neutral.

Für den Tapelegepozess ergibt sich daher folgende Analogie zum Plattenkondensator. Eine der Elektroden wird durch die metallische Werkzeugplattform gebildet. Durch den hohen Volumenanteil an elektrisch leitenden Kohlenstoffasern können diese als Gegenelektrode des Plattenkondensators verwendet werden. Durch die angelegte Elektrodenspannung kommt es zur Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen den Platten.

Die Isolationsschicht auf der Platte verhindert einen Ausgleich der Ladungen, wodurch es zu Anziehungskräften zwischen der Werkzeugplattform und dem abgelegten Laminat kommt. Die Werkzeugplattform und das Tape werden dabei als homogene leitende Platten betrachtet, die durch die Spannung auf die Ladung aufgeladen werden. Die erreichbare Kraft wird begrenzt durch das Isoliervermögen der Dielektrika. Die Spannung, bei der eine Isolierschicht der elektrischen Beanspruchung nicht mehr stand hält, wird als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet. Wird diese Grenze überschritten, findet ein Ladungsaustausch zwischen Plattform und abgelegtem Tape statt und es kommt zum Verlust der Kraftwirkung. Ist der Abstand der Platten durch die Dicke der Isolierung bestimmt, so entspricht er dem Abstand der Platten. Die maximal erreichbare Kraft zwischen zwei Kondensatorplatten hängt im wesentlichen von der Durchschlagfestigkeit, des verwendeten Dielektikums ab. Bei der Verwendung von faserverstärkten Thermoplasttapes befindet sich in der Regel durch die Matrix ein weiterer Isolator im elektrischen Feld.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: Anhaften eines faserverstärkten Kunststoffbändchens auf einer Werkzeugoberfläche durch elektrostatische Anziehung

Fig. 2: Verfahren zum automatisierten Ablegen der ersten Lage mittels elektrostatischer Anziehung beim Tapelegeverfahren

Fig. 3: Beispiel zur Spannungsübertragung auf ein kohlenstoffaserverstärktes Bändchen.

Einklemmen der freiliegenden Fasern am Spulenkern.

Zur Ausführung der Erfindung wird während des Prozesses das Bändchen wie bisher bis zur Konsolidierungsvorrichtung 6 vortransportiert. An der Werkzeugplattform 3 ist nun der Minuspol 2 einer Gleichspannungsquelle 1 befestigt. Der Pluspol 4 der Spannungsquelle kontaktiert die Kohlenstoffasern 12 des Thermoplastbandes. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß das auf der Bändchenspule 7 aufgewickelte Bändchenende derart bearbeitet wird, daß die Kohlenstoffasern frei liegen und in den Spulenkern eingeklemmt werden, Fig. 3. An diesen kann nun der Pluspol 4 der Gleichspannungsquelle angeschlossen werden. Setzt der Tapelegekopf 5 zur Aufbringung der ersten Lage auf der Werkzeugplattform 3 auf, an der der Minuspol der Gleichspannungsquelle 1 anliegt, so entsteht zwischen Werkzeugplattform 3 und Kohlenstoffasern 12 im Bändchen ein elektrostatisches Feld und damit die verbindende Normalkraftwirkung, Fig. 1. Die Normalkraft setzt sich aus der Feldwirkung und der Flächenwirkung durch die Polarisation zusammen. Bringt man einen nicht leitenden Körper, hier das thermoplastische Bändchen, 10 und eine isolierende Werkzeugbeschichtung 8, in ein elektrisches Feld 15, so wird dieser angezogen, obwohl eine freie Verschiebung der Ladung nicht möglich ist. In Fig. 2 ist das Verfahren zum automatisierten Ablegen der ersten Lage von faserverstärkten, thermoplastischen Bändern mit dem Tapelegeverfahren dargestellt. Eine Gleichstromspannungsquelle 1 im Kilovoltbereich ist mit ihrem Minuspol 2 an der metallischen Werkzeugplattform 3 und mit ihrem Pluspol 4 an dem Tapelegekopf 5 oder der Konsolidierungsvorrichtung 6 oder am Ende des kohlenstoffaserverstärkten Thermoplastbandes in der Spule 7 angebracht. Das elektrostatische Feld zwischen Werkzeugplattform und Kohlenstoffasern lässt das kohlenstoffaserverstärkte Thermoplastband auf der Werkzeugoberfläche anhaften. Die Werkzeugoberfläche ist zum Schutz gegen Kurzschlüsse durch an der Bandoberfläche befindliche Kohlenstoffasern und zum leichteren Lösen des fertigen Bauteils von der Oberfläche mit einer Keramik 8 z. B. Al₂O₃ beschichtet. Die Anhaftwirkung des elektrostatischen Feldes wird auch nach Beendigung der ersten Lage bis zur kompletten Fertigstellung des Ablegeprozesses genutzt, um das Bauteil auf der Werkzeugplattform zu halten. Das gleiche Verfahren kann ebenfalls für kohlenstoffaserverstärkte Duroplastbänder eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum automatisierten Ablegen von, mit elektrisch leitenden Fasern verstärkten. Ther­ moplastbändern mit dem Tapelegeverfahren durch Anlegen einer elektrischen Spannung zur Er­ zeugung eines elektrischen Feldes zwischen einer Werkzeugplattform und den faserverstärkten Thermoplastbändern, wodurch das Anhaften der faserverstärkten Kunststoffbänder auf einer elekt­ risch isolierten Werkzeugoberfläche der Werkzeugplattform in Folge des elektrostatischen Feldes und der elektrischen Polarisierung ermöglicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vollimprägnierte oder teilimprägnierte Thermoplastbänder verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdung der faserverstärkten Kunststoffbänder sowohl über Kohlenstoffasern, über das Konsolidierungssystem, über den Halb­ zeughalter (Spule) oder über eine Komponente des Tapelegekopfes erfolgen oder aber auch entfal­ len kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugplattform auch unbeschichtet bei gleichzeitig nicht leitendem Thermoplast mit mittig sedimentierten Kohlenstoffa­ sern betrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine stoffgleiche oder kerami­ sche, isolierende Beschichtung der Werkzeugoberfläche vorgesehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugisolierung in Folienform oder als schmelzflüssiges Pulver aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder gekühlt, untemperiert oder aufgeheizt abgelegt werden.