DE102006025280A1

DE102006025280A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils und Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE102006025280A1
Application number: DE102006025280A
Authority: DE
Inventors: Alois K. Schlarb
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2006-12-14

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (6) wird ein Bündel einer Endlosfaser (2) imprägniert und dieser Faser/Matrix-Strang (9) mittels eines Handhabungsgerätes (3) über eine Düse endkonturnah in eine temperierte Vorrichtung (10) gelegt sowie konsolidiert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils und eine Vorrichtung dazu.

Hochbelastbare, kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffbauteile mit beanspruchungsgerechter Faserorientierung und -positionierung lassen sich durch Ablegen vorimprägnierter Endlosfaserstränge herstellen. Bei der Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden verwendet man häufig faserverstärkte Kunststoffbändchen, die in einem separaten, vorgeschalteten Prozess bereits imprägniert und konsolidiert wurden. Diese thermoplastischen Kunststoffbändchen werden direkt vor dem Ablegen auf Temperaturen oberhalb des Schmelz- bzw. Erweichungsbereiches des Thermoplasten erwärmt und mittels einer Andrückrolle im Ablegepunkt der Geometrie des Bauteils angepasst und konsolidiert. Die Geometrie des Bauteils wird dabei durch eine ebene oder gekrümmte Struktur, auf die abgelegt wird, vorgegeben. Dieses hochautomatisierbare Verfahren wird als „Tapelegen" oder im Englischen „Tape/Tow Placement" bzw. „Fiber Placement" bezeichnet.

Die DE 102 53 300 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen, insbesondere von hochbelastbaren Karosseriebauteilen eines Kraftfahrzeuges, mit einem durch Glasfasern verstärkten Kunststoff-Matrixmaterial. Mindestens bereichsweise sind gezielt ausgerichtete Kohlenstofffasern entsprechend Lastpfaden des Bauteils im belasteten Zustand vorgesehen, wobei die Glasfasern willkürlich ausgerichtet sind. Der Verbund aus Glasfasern wird im Wesentlichen entsprechend der Bauteilform zugeschnitten. Anschließend erfolgt das Aufbringen des streifenförmigen Verbundes gezielt ausgerichteter Kohlenstofffasern auf oder zwischen mindestens eine Glasfaserstruktur zu einer sandwichartigen Preform, die zum Pressen zur Bauteilformgebung in ein Formwerkzeug eingelegt wird.

Im Weiteren beschreibt die DE 43 30 860 C2 ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Halbzeuges aus glasmattenverstärkten Propylenpolimerisaten, wobei die Länge der in zwei Dimensionen angeordneten Glasfasern maximal 50 mm beträgt. Das Propylenpolimerisat und die Glasfasern mit einer Länge von mehr als 10 mm werden einem schwach scherenden Extruder zugeführt und dort vermischt, durch eine Düse ausgepresst und zu einer flächigen Bahn geformt, die gegebenenfalls beidseitig mit einem Faserflies kaschiert wird.

Darüber hinaus offenbart die DE 101 29 514 A1 ein Verfahren zum automatisierten Ablegen von mindestens einem Thermoplastbändchen auf einer Werkzeugplattform sowie Ablösen eines daraus gefertigten Bauteils von der Werkzeugplattform. Die Werkzeugplattform wird während des Legeprozesses zum Anhaften des abgelegten Thermoplastbändchens an der Werkzeugoberfläche im Bereich von 50°C unterhalb bis 40°C oberhalb der Kristallisa tionstemperatur des zu verarbeitenden Thermoplastes, dessen Kristallisationstemperatur zur Schmelztemperatur einen Abstand größer 40°C aufweist, oder im Bereich von 50°C unterhalb der Kristallisationstemperatur bis zu der Kristallisationstemperatur des zu verarbeitenden Thermoplastes, dessen Kristallisationstemperatur zur Schmelztemperatur einen Abstand kleiner oder gleich 40°C aufweist, beheizt. Nach der Beendigung des Legeprozesses wird die Werkzeugplattform zum Ablösen des Bauteils von der Werkzeugplattform mit dem darauf abgelegten Bauteil abgekühlt.

Ferner ist aus der DE 32 26 290 A1 ein Verfahren zum gesteuerten Ablegen von Fasern über einen Ablegekopf auf eine Form bekannt. Ein von einer Vorratsrolle zugeführter Faserstrang wird in den über der Form angeordneten Ablegekopf eingeführt und in dem Ablegekopf durch eine Fördereinrichtung in Richtung der Form weiter befördert. Mit Hilfe von aus mindestens einer Düse austretendem, unter Druck stehendem Gas wird der Faserstrang auf die Form gedrückt. Der Ablegekopf wird zum schichtweisen Aufbau des herzustellenden Teils über die Form hin- und hergefahren bzw. hin- und hergeschwenkt. Während der Durchleitung des Faserstranges durch den Ablegekopf erfolgt das Tränken mit Harz.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bzw. mit der hochfeste faserverstärkte Bauteile in einem Schritt kostengünstig herstellbar sind.

Verfahrensgemäß wird die Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, dass ein Bündel einer Endlosfaser imprägniert und dieser Faser/Matrix-Strang mittels eines Handhabungsgerätes über eine Düse endkonturnah in eine temperierte Vorrichtung gelegt sowie konsolidiert wird.

Aufgrund des gerichteten Legens der imprägnierten Endlosfaser, also des Faser/Matrix-Strangs, mittels des Handhabungsgerätes ist eine lastgerechte Ausrichtung der Endlosfaser ermöglicht und das Bauteil weist eine beanspruchungsgerecht hohe Festigkeit und Steifigkeit auf. Die Endlosfasern können beispielsweise sowohl parallel zueinander als auch meanderförmig abgelegt werden, wobei die die Ausrichtung der Endlosfasern von den auf das fertige Bauteil einwirkenden Belastungen abhängig ist. Mit den verwendeten Endlosfasern ist es möglich, eine definierte Verstärkungsstruktur, nämlich ein Gelege, zu erzeugen. Im Weiteren erfolgt das Konsolidieren, also das Verfestigen, der in die Vorrichtung eingelegten Faser/Matrix-Stränge ohne erneute Energiezufuhr, d.h. lediglich unter Ausnutzung der Wärme der Vorrichtung und somit verhältnismäßig schnell sowie kostengünstig.

Nach einer Weiterbildung wird bereichsweise der Faser/Matrix-Strang mit der Endlosfaser und in anderen Bereichen ein Faser/Matrix-Strang mit Lang- oder Kurzfasern in die Form gelegt. Der Faser/Matrix-Strang mit der Endlosfaser kommt in den Bereichen zur Anwendung, in denen das Bauteil einer relativ hohen Belastung ausgesetzt ist, während die Bereiche des Bauteils, die einer demgegenüber geringeren Belastung unterliegen, mit Faser/Matrix-Strängen mit Lang- oder Kurzfasern gefüllt werden. Dies reduziert die Kosten und vereinfacht die weitere Verarbeitung, da Lang- oder Kurzfasern mit geringeren Kräften als Endlosfasern umformbar sind.

Zur Reduzierung der zum Legen benötigten Zeit werden die Faser/Matrix-Stränge gleichzeitig in die Form gelegt. Ein erstes Handhabungsgerät kann beispielsweise einen Legekopf für den Faser/Matrix-Strang mit der Endlosfaser und ein zweites parallel dazu arbeitendes Handhabungsgerät einen Legekopf für den Faser/Matrix-Strang mit den Lang- oder Kurzfasern tragen.

Damit eine Verschiebung der Endlosfasern bzw. der Faser/Matrix-Stränge in der Form beim Konsolidieren, insbesondere bei einem Pressvorgang, weitgehend ausgeschlossen ist, wird vorteilhafterweise der Faser/Matrix-Strang entsprechend der Kontur des Bauteils in eine Form der Vorrichtung abgelegt. Das Einlegen der Endlosfasern kann hierbei mittels eines in bis zu sechs Achsen beweglichen Handhabungsgerätes erfolgen. Die die Kontur des Bauteils im Wesentlichen bestimmende Form der Vorrichtung kann beispielsweise aus einer Gitter-Struktur bestehen, die ein Temperieren, beispielsweise mit Warmluft oder IR-Strahlung, begünstigt.

Um in bestimmten Bereichen des Bauteils oder über das gesamte Bauteil verhältnismäßig hohe mechanische Eigenschaften in einer bestimmten Lastrichtung zu erzielen, wird bevorzugt der Faser/Matrix-Strang derart gerichtet in die Form der Vorrichtung gelegt, dass mehrere Endlosfasern eine parallele Ausrichtung aufweisen.

In Ausgestaltung wird der Faser/Matrix-Strang am Ende eines Lastpfades oder das durch Orientierungswechsel erzeugte endkonturnahe Faser/Matrix-Gelege nach der vollständigen Ablage durch eine Schneidvorrichtung vom Strang abgetrennt. Zweckmä ßigerweise wird das Faser/Matrix-Gelege der Vorrichtung entnommen, anschließend in eine Matrize eines Presswerkzeugs gelegt und dort durch Anwendung von Druck in die endgültige Form überführt.

Nach einer Weiterbildung wird der aus mehreren Endlosfasern und/oder Lang- bzw. Kurzfasern bestehende Faserstrang mit einem thermoplastischen Kunststoff imprägniert. Der die Fasern einbettende thermoplastische Kunststoff bleibt aufgrund der sehr schnell nacheinander ausgeführten Arbeitsschritte in einem schmelzeartigen bzw. teigigen Zustand, was jedoch auch durch die Ablage in einer temperierten Kammer der Vorrichtung unterstützt werden kann. Ein erneutes Aufschmelzen der Matrix vor dem anschließenden Pressvorgang ist nicht erforderlich. Zum Imprägnieren werden die Endlosfasern und/oder die Lang- bzw. Kurzfasern durch eine durch einen Extruder mit Kunststoffschmelze versorgte Imprägniervorrichtung gezogen. Vorzugsweise werden thermoplastische Kunststoffe, wie Polypropylen, Polyamid, thermoplastische Polyester und Polyetheretherketone als Matrixmaterial eingesetzt. Denkbar ist die Verwendung sämtlicher Thermoplaste, einschließlich der amorphen Thermoplaste.

Zweckmäßigerweise werden als Endlosfasern und/oder als Lang- bzw. Kurzfasern Glasfasern, Karbonfasern, Kunststofffasern, Aramidfasern oder Naturfasern verwendet.

Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, bei der ein Handhabungsgerät mit einem Legekopf einen Faser/Matrix-Strang in eine tempe rierte Form legt, dadurch gelöst, dass die endkonturnahe Form aus Gitterstäben gefertigt und mittels Warmluft oder IR-Strahlung temperiert ist.

Die Gitterstäbe bieten aufgrund einer verhältnismäßig geringen Auflagefläche den Vorteil der gleichmäßigen Temperierung des Geleges mit einer thermoplastischen Matrix und eines relativ einfachen Entnehmens, da die Fläche zur Anhaftung der Faser/Matrix-Stränge bei den Gitterstäben gegenüber einer vollflächigen Form wesentlich geringer ist.

Vorzugsweise ist die Oberfläche der Gitterstäbe beschichtet. Die Beschichtung kann die Wärmeleitung und/oder das Anhaften beeinflussen.

Zweckmäßigerweise ist ein weiteres Handlingsgerät vorgesehen, das das endkonturnahe Gelege den Gitterstäben entnimmt und in eine eine ein Bauteil abbildende Kavität aufweisende Matrize eines Presswerkzeuges eingelegt. Demnach ist eine nahezu kontinuierliche Bauteilfertigung möglich.

Mit einem Abschneiden eines Faser/Matrix-Stranges oder einer Umkehrbewegung des Legekopfes ändert sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit und damit der Verbrauch insbesondere des thermoplastischen Matrixmaterials, das aber in dem Extruder kontinuierlich aufgeschmolzen wird. Zum Abfangen dieser Änderungen in der Verarbeitungsgeschwindigkeit ist vorteilhafterweise dem Extruder zum Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix ein Pufferspeicher für die Schmelze zugeordnet. Alternativ ist es möglich, dem Extruder einen Pufferspeicher, einen so genannten Teleskopeffektpuffer, für den Faser/Matrix- Strang nachzuordnen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer integrierten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung der Einrichtung nach 1 in alternativer Ausgestaltung,
3 eine schematische Darstellung der Einrichtung nach 1 in weiterer alternativer Ausgestaltung und
4 bis 11 schematische Darstellungen möglicher Ablegepfade von Faser/Matrix-Strängen mittels der Vorrichtung.
Die Einrichtung umfasst einen Extruder 1 zum Plastifizieren eines thermoplastischen Kunststoffes, mit dem mehrere über eine Zuführeinrichtung 8 geförderte Endlosfasern 2 als Faserbündel entweder direkt durch den Extruder 1 oder eine Pultrusionsvorrichtung bzw. ein Imprägnierrad imprägniert werden.
Ein mit dem Kunststoff imprägnierter Faser/Matrix-Strang 9 wird von einem Handhabungsgerät 3 ergriffen und endkonturnah derart in einer Form 4 abgelegt, dass mehrere Faserstränge eine parallele Ausrichtung aufweisen, wobei entweder die Form 4 selbst temperiert ist oder sich innerhalb einer temperierten Vorrichtung 10 befindet. Nach dem vollendeten Legevorgang wird der Faser/Matrix-Strang 9 durch eine Schneidvorrichtung abgetrennt. Die Abtrennung kann auch direkt nach dem Legen eines Lastpfades erfolgen. Das derart hergestellte Faser/Matrix-Gelege 5 wird im Weiteren der Form 4 bzw. der Vorrichtung 10 entnommen und in eine eine ein Bauteil 6 abbildende Kavität 11 aufweisende Matrize 12 eines Presswerkzeuges 7 eingelegt und unter Druck in die finale Form überführt. Nach dem Erkalten und der Entnahme aus dem Presswerkzeug 7 erfolgt, sofern erforderlich, ein Besäumen des Bauteils 6 mittels einer Schneideinrichtung 13.
Nach 2 plastifiziert der Extruder 1 den Kunststoff und liefert ihn einer Imprägniervorrichtung 14, der über die Zuführeinrichtung 8 die Endlosfasern 2 und über eine weitere Zuführeinrichtung 15 Langfasern 16 zugeleitet werden, die nacheinander imprägniert und von dem Handhabungsgerät 3 zum endkonturnahen Ablegen in der Form 4 ergriffen werden.
Zum gleichzeitigen Imprägnieren unterschiedlicher Fasern sind nach 3 zwei Extruder 1, 17 vorgesehen, wobei dem einen Extruder 1 die Imprägniervorrichtung 14 für die Endlosfasern 2 zugeordnet ist und dem anderen Extruder 17 Langfasern 16 direkt zugeführt werden. Wenn die Einrichtung zwei Handhabungsgeräte 3 umfasst, dann können zwei Faser/Matrix-Stränge 9, 18 gleichzeitig in die Form 4 gelegt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (6), dadurch gekennzeichnet, dass ein Bündel einer Endlosfaser (2) imprägniert und dieser Faser/Matrix-Strang (9) mittels eines Handhabungsgerätes (3) über eine Düse endkonturnah in eine temperierte Vorrichtung (10) gelegt und anschließend konsolidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bereichsweise der Faser/Matrix-Strang (9) mit der Endlosfaser (2) und in anderen Bereichen ein Faser/Matrix-Strang mit Lang- oder Kurzfasern in die Form (4) gelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser/Matrix-Stränge (9) gleichzeitig in die Form (4) gelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Faser/Matrix-Strang (9) entsprechend der Kontur des Bauteils (6) in eine Form (4) der Vorrichtung (10) gelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser/Matrix-Strang (9) derart gerichtet in die Form (4) gelegt wird, dass mehrere Endlosfasern (2) eine parallele Ausrichtung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser/Matrix-Strang (9) mit der Endlosfaser (2) am Ende eines Lastpfades oder das durch Orientierungswechsel erzeugte endkonturnahe Faser/Matrix-Gelege (5) nach der vollständigen Ablage durch eine Schneidvorrichtung vom Strang abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser/Matrix-Gelege (5) der Form (4) entnommen, anschließend in eine Matrize (12) eines Presswerkzeugs (7) in der Vorrichtung (10) gelegt und dort durch Anwendung von Druck in die endgültige Form überführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfaser (2) und/oder die Lang- bzw. Kurzfaser mit einem thermoplastischen Kunststoff imprägniert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfaser (2) und/oder die Lang- bzw. Kurzfaser durch eine durch einen Extruder (1) mit Kunststoffschmelze versorgte Imprägniervorrichtung gezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass als Endlosfasern (2) und/oder als Lang- bzw. Kurzfasern Glasfasern, Karbonfasern, Kunststofffasern, Aramidfasern oder Naturfasern verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Faser/Matrix-Strang (9) durch einen temperierten Schlauch zur der Düse geleitet wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der ein Handhabungsgerät (3) mit einem Legekopf einen Faser/Matrix-Strang (9) in eine temperierte Form (4) legt, dadurch gekennzeichnet, dass die endkonturnahe Form aus Gitterstäben gefertigt und mittels Warmluft oder IR-Strahlung temperiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Gitterstäbe beschichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Handlingsgerät vorgesehen ist, das das endkonturnahe Gelege den Gitterstäben entnimmt und in eine ein Bauteil (6) abbildende Kavität (11) aufweisende Matrize (12) eines Presswerkzeuges (7) eingelegt.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen Extruder zum Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix, dem ein Pufferspeicher für die Schmelze zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen Extruder zum Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix, dem ein Pufferspeicher für den Faser/Matrix-Strang (9) nachgeordnet ist.