DE102006052137B4

DE102006052137B4 - Verfahren zur Herstellung von Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102006052137B4
Application number: DE102006052137A
Authority: DE
Inventors: Rainer Förster; Matthias Voigt
Original assignee: IFC Composite GmbH
Current assignee: Shandong Sinoma Composite Auto Parts Co Ltd Cn
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: WO2008055458A1; DE102006052137A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Blattfedern (28) aus einem Faserverbundwerkstoff (11) mit den folgenden Verfahrensschritten: – Abdecken der Oberseite und der Unterseite eines Faserstranges (2), der aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern besteht, mit jeweils einer Abdeckmaterialbahn (3, 4), – Benetzen der Fasern des Faserstranges (2) mit einer noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14), – Erwärmen des abgedeckten und kunststoffmatrixbelegten Faserstranges (2) zur Imprägnierung der Fasern des Faserstranges (2) mit der noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14), – Abkühlen des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges (2), – Abschneiden des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges (2) zu einzelnen Prepregs (11') oder Aufwickeln zu einer Prepreg-Rolle (20), – Ablegen von mehreren Lagen Prepregs (11) vertikal übereinander auf einer konvex gekrümmten Oberfläche (22) zu einer Roh-Blattfeder (23), – Kühlen der Roh-Blattfeder (23) auf einer konvex gekrümmten Oberfläche (22), – Pressen der Roh-Blattfeder (23) in einer Presse (25) zu einer gepressten Roh-Blattfeder...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff.
Beispielsweise aus der EP 0 084 101 A2 ist es bekannt, dass Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff herstellbar sind. Solche Blattfedern haben gegenüber herkömmlichen Blattfedern aus metallischen Werkstoffen den Vorteil eines geringeren Gewichts und einer längeren Haltbarkeit. Durch die Wahl der Laminatschichten sowie die Ausrichtung der Fasern in einer Kunststoffmatrix kann die Federcharakteristik in weiten Grenzen beeinflusst werden.
Im allgemeinen werden Blattfedern aus faserverstärkten Werkstoffen aus so genannten Nasslaminaten bzw. Prepregs hergestellt, die mit der gewünschten Faserausrichtung übereinander geschichtet sowie anschließend verpresst und ausgehärtet werden.
Unter dem Begriff Prepreg wird bekanntermaßen ein Halbzeug bzw. ein Vorprodukt zur Herstellung von Gegenständen aus einem Faserverbundmaterial verstanden. Ein Prepreg besteht aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffmatrix. Dabei können die Endlosfasern unidirektional ausgerichtet sein oder als Gewebe oder Gelege vorliegen. Bei der Kunststoffmatrix handelt es sich üblicherweise um eine Mischung aus einem Kunstharz, einem Härter sowie einem Beschleuniger. Des Weiteren können spezielle Zuschlagstoffe zur Erzeugung weiterer gewünschter Eigenschaften des Prepregs beigefügt werden. Als Kunstharze kommen beispielsweise Harze auf der Basis von Epoxydharz oder Vinylesterharz zur Anwendung.
Zur Herstellung von Prepregs werden die Fasern in gewünschter Weise auf einem Träger abgelegt und anschließend mit der Kunststoffmatrix benetzt. Durch Kühlen, bis zum Einfrieren, des Prepregs wird das chemische Reagieren des Härters und des Beschleunigers mit dem Kunstharz so lange verhindert, bis das Prepreg zur Herstellung eines Endproduktes verwendet werden soll. So werden beispielsweise zur Herstellung einer Faserverbund-Blattfeder mehrere Prepreg-Lagen übereinander geschichtet und zugeschnitten. Durch ein dann folgendes Erwärmen dieses Werkstücks über die Reaktionstemperatur des Härters hinaus beginnt der Aushärtevorgang, der schließlich zu dem gewünschten Endprodukt führt. Sofern diese Erwärmung in einer Presse sowie in einem Autoklaven bei atmosphärischem Unterdruck. durchgeführt wird, lassen sich luftblasenfreie Endprodukte mit sehr hohem Faseranteil und vergleichsweise geringem Kunststoffmatrixanteil herstellen.
Um Prepregs in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess erzeugen zu können, muss einer diesbezüglichen Fertigungsvorrichtung ein Strang aus den genannten Endlosfasern zugeführt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Fasern in der gewünschten räumlichen Orientierung verbleiben. Die Faserverteilung soll dabei also üblicherweise homogen sein. Zudem soll bei der Zuführung und Weiterverarbeitung des Faserstranges ein möglichst geringer Faserbruch eintreten.
Außerdem muss der Faserstrang mit der genannten Kunststoffmatrix, also der Mischung von zumindest Kunstharz und Härter, benetzt werden. Dabei ist es wichtig, dass die Verteilung der Kunststoffmatrix gleichmäßig erfolgt bzw. alle Fasern des Faserstranges von der Kunststoffmatrix imprägniert werden. Zudem darf nicht zuviel Kunststoffmatrix auf den Faserstrang gelangen, da dieses ein seitliches Ablaufes der überschüssigen Flüssigkeit in unerwünscht großem Umfang zur Folge hatte.
Sofern der erzeugte Prepreg-Strang in gewünschte Längsstücke geschnitten oder als eine Rolle aufgewickelt und anschließend zwischengelagert werden soll, ist der Faserstrang bei der Herstellung des Prepreg-Stranges bevorzugt an seiner Unterseite und an seiner Oberseite mit einer Abdeckmaterialbahn abzudecken. Beim Auflegen dieser Abdeckmaterialbahnen auf den Faserstrang kann es dazu kommen, dass die Fasern der oberen und/oder der unteren Faserlage des Faserstranges in nicht gewollter Weise quer zu Längserstreckung des Faserstranges gefaltet werden. In einem Faserverbund-Endprodukt tragen derart gefaltete Fasern nur wenig zu den gewünschten Materialeigenschaften bei, weshalb eine solche Faserfaltung vermieden werden soll.
Vor diesem Hintergrund ist aus der DE 37 27 185 A1 ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren zur Herstellung von Prepregs in einer Doppelbandpresse bekannt. Dabei wird ein Harzfilm schon vor der Doppelbandpresse mittels eines Rakels auf eine Trennfolie aufgetragen. In diesen Harzfilm werden Rovings eingebracht, wobei die Zufuhr der Fasern so geschieht, dass beim Kontakt mit dem Harzsystem die Benetzung von unten nach oben erfolgt, so dass der Luftraum zwischen den Fasern möglichst gleichmäßig mit dem Harz ausgefüllt wird. Diese Tränkstrecke wird bevorzugt beheizt.
In einem danach folgenden ersten Teil der Doppelbandpresse, der so genannten Druckheizzone, wird das imprägnierte Fasermaterial unter Wirkung von Druck und Wärme in einen B-Zustand überführt. Der Eintritt in die Doppelbandpresse erfolgt so, dass zwischen dem Oberband und dem Unterband derselben ein keilförmiger Spalt eingestellt ist, wodurch der Druck auf das imprägnierte Fasermaterial kontinuierlich erhöht wird. In einem zweiten Teil der Doppelbandpresse wird das heiße Prepreg unter Druck abgekühlt, wodurch sich der B-Zustand stabilisiert und ein Übergang in einen C-Zustand verhindert wird. Der Druck in der Druckkühlzone steigt vom Enddruck der Druckheizzone auf bis zu 1 bis 3 bar an und liegt am Ende der Druckkühlzone vorzugsweise 0,5 bar über dem Enddruck der Druckheizzone. Die Abkühlung erfolgt auf 50°–80°C, jedoch mindestens 50°C unter der Temperatur der Druckheizzone.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff vorzustellen, mit dem die oben beschriebenen technischen Probleme gemeistert werden können und eine qualitativ hochwertige Blattfeder herstellbar ist. So soll insbesondere erreicht werden, dass die Fasern in der Blattfeder in einer gewünschten Ausrichtung vorliegen, dass die noch nicht abgebundene Kunststoffmatrix in der Blattfeder in ausreichender Menge zu allen Fasern gelangt, dass der Umfang von Faserbruch in der Blattfeder minimiert wird, und dass eine Faltung der Fasern quer zur Längserstreckung des Faserstranges zumindest weitgehend vermieden wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruches. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den zugeordneten Unteransprüchen entnehmbar.
Nach langwierigen Untersuchung an Versuchsanlagen lag der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff dann den im Automobilbau herrschenden sehr hohen Qualitätsanforderungen gerecht werden kann, wenn bei allen Verfahrensschritten zur Herstellung der Blattfeder, von der Bereitstellung der Werkstoffe in einer Fabrik bis hin zur Qualitätsendkontrolle, die Temperaturen der einzelnen Werkstoffe und Zwischenprodukte sowie die Zeiträume, in denen diese der jeweiligen Temperatur ausgesetzt sind, genau aufeinander abgestimmt und ständig überwacht werden.
Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt
1 einen stark schematisierten Fertigungsablaufplan zur Herstellung einer Faserverbundblattfeder gemäß einer ersten Variante,
2 einen Fertigungsablaufplan wie in 1 gemäß einer zweiten Variante,
3 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung und ein Produktionsablauf, mit denen zur Herstellung der Blattfeder ein Prepreg-Strang kontinuierlich gefertigt werden kann, und
4 eine schematische Seitenansicht von weiteren Fertigungsvorrichtungen sowie des weiteren Produktionsablaufes, mit denen aus dem Prepreg-Strang einzelne Blattfedern hergestellt werden.
Die 3 und 4 zeigen demnach in schematischer Darstellungsweise eine Produktionsanlage zur Herstellung von Blattfedern aus einem Faserverbundmaterial. Die Temperaturen, welchen die Werkstoffe bzw. Zwischenprodukte während ihrer Herstellung ausgesetzt sind bzw. die diese erreichen, sowie die Zeiträume, über die diese Werkstoffe bzw. Zwischenprodukte diesen Temperaturen ausgesetzt sind, sind für zwei in Bereich eines Heiztisches 6 leicht unterschiedliche Produktionsanlagen in 1 bzw. 2 zusammen mit den zugeordneten Verfahrensschritten dargestellt.
Unabhängig von den im Bereich des Heiztisches 6 leicht unterschiedlichen Verfahrensparametern folgt die Verfahrensdurchführung jeweils den gleichen grundlegenden Verfahrensschritten gemäß der Erfindung. Diese sind gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs:

– Abdecken der Oberseite und der Unterseite eines Faserstranges 2, der aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern besteht, mit jeweils einer Abdeckmaterialbahn 3, 4,
– Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit einer noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix 14,
– Erwärmen des abgedeckten und kunststoffmatrixbelegten Faserstranges 2 zur Imprägnierung der Fasern des Faserstranges 2 mit der noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix 14,
– Abkühlen des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges 2,
– Abschneiden des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges 2 zu einzelnen Prepregs 11' oder Aufwickeln zu einer Prepreg-Rolle 20,
– Ablegen von mehreren Lagen Prepregs 11 vertikal übereinander auf einer konvex gekrümmten Oberfläche 22 zu einer Roh-Blattfeder 23,
– Kühlen der Roh-Blattfeder 23 auf einer konvex gekrümmten Oberfläche 22,
– Pressen der Roh-Blattfeder 23 in einer Presse 25 zu einer gepressten Roh-Blattfeder 23',
– Erwärmen der gepressten Roh-Blattfeder 23', und
– Endbearbeitung der gepressten Roh-Blattfeder 23' zur fertigen Blattfeder 28.

Wie eine Zusammenschau der 1 und 3 bis 4 bzw. der 2 bis 4 der beiden Ausführungsbeispiele zeigen, werden die Werkstoffe Kunstharz, Härter und Beschleuniger zur Bildung der zunächst noch flüssigen Kunststoffmatrix 14 ebenso wie die Glasfasern eines Faserstranges 2 der Produktionsanlage 1 im Wareneingang WE einer Fabrik mit einer Temperatur T1 von 23°C ± 10°C gelagert.
Zur Herstellung der noch flüssigen Kunststoffmatrix 14 werden in drei parallel ablaufenden Verfahrensschritten A, B und C im gleichen Zeitraum Δt1 von 22 Stunden bis 26 Stunden, vorzugsweise von 24 Stunden (1, 2), jeweils separat zueinander der Kunstharz in einem Verfahrensschritt A auf eine Temperatur von T2 = 80°C ± 10°C, der Härter in einem Verfahrensschritt B auf eine Temperatur von T3 = 55°C ± 10°C und der Beschleuniger in einem Verfahrensschritt C auf eine Temperatur von T4 = 35°C ± 10°C gebracht sowie anschließend gemäß vorbestimmter Mischungsanteile miteinander vermischt. Dabei stellt sich eine bestimmte Gemischtemperatur ein.
Nach der Bildung der noch flüssigen Kunststoffmatrix 14 werden anschließend die später zu dem Faserstrang 2 weisenden Seiten von zwei Abdeckmaterialbahnen 3 und 4, zumindest aber die untere Abdeckmaterialbahn 3 mit der Kunst- stoffmatrix 14 beschichtet, welche durch diesbezügliche Zuführvorichtungen 12, 13 zu den Abdeckmaterialbahnen 3, 4 geleitet werden (Schritt D, F; 3). Die Abdeckmaterialbahnen 3, 4 und die Fasern des Faserstrangs 2 weisen vor der Beschichtung mit der Kunststoffmatrix 14 die oben genannte Ausgangstemperatur T1 = 23°C ± 10°C auf. Die Beschichtung mit der Kunststoffmatrix 14 erfolgt dabei derart, dass diejenige Seite der zumindest einen Abdeckmaterialbahn 3, 4 belegt wird, welche später in Kontakt mit dem Faserstrang 2 gelangt.
Die untere Abdeckmaterialbahn 4 besteht bevorzugt aus einer Kunststofffolie und die obere Abdeckmaterialbahn 3 bevorzugt aus einem beschichteten Papiermaterial.
Anschließend werden die beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 zu dem Heiztisch 6 transportiert. Dabei wird die obere Abdeckmaterialbahn 3 um eine Ablegrolle 5 geführt, welche die bis dahin nach oben weisende Unterseite dieser Abdeckmaterialbahn 3 nach unten dreht und diese Abdeckmaterialbahn 3 derart auf den Faserstrang 2 ablegt, dass die Kunststoffmatrix 14 auf der Oberseite des Faserstranges 2 zu liegen kommt. Die Ablegkraft F1 der Ablegrolle 5 ist vergleichsweise gering, so dass sichergestellt ist, dass durch deren Anpresskraft kein oder nur ein verhältnismäßig geringer Faserbruchanteil entsteht. Die untere Abdeckmaterialbahn 4 wird über einen eingangsseitigen Abschnitt 16 des Heiztisches 6 gezogen und dort gegebenenfalls vorgewärmt.
Bei dem Zusammenführen der beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 mit dem Faserstrang 2 wird in einem Verfahrensschritt F die mit der Kunststoffmatrix 14 beschichtete zumindest eine Abdeckmaterialbahn 3 und/oder 4 und der Faserstrang 2 über die Oberfläche des Heiztisches 6 gezogen. Das Zusammenführen des Faserstranges 2 und der beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 erfolgt auf einer konvex gekrümmten Oberfläche 15 des Heiztisches 6 im Bereich einer ersten Heizzone S1 von drei Heizzonen S1, S2 und S3 desselben. Diese Heizzonen sind mit einer nicht dargestellten elektrischen Heizung oder Warmwasserheizung ausgestattet, welche eine vergleichsweise genaue Einstellung der Temperatur der Heiztischoberfläche 15 in den jeweiligen Heizzonen S1, S2 und S3 ermöglichen. Die Wärmebehandlung des abgedeckten und kunststoffmatrixbelegten Faserstranges 2 erfolgt in den drei Heizzonen S1 bis S3 in den Verfahrensschritten G, H und I.
In einer ersten Ausführungsvariante des Heiztisches 6 wird der mit den beschichteten Abdeckmaterialbahnen 3, 4 abgedeckte Faserstrang 2 entlang der ersten Heizzone S1 des Heiztisches 6 auf eine Temperatur von T5 = 75°C ± 10°C, entlang der zweiten Heizzone S2 des Heiztisches 6 auf eine Temperatur von T6 = 110°C ± 10°C und entlang der dritten Heizzone S3 des Heiztisches 6 auf eine Temperatur von 17 = 120°C ± 10°C gebracht. Die jeweiligen Heiztischzonen S1 bis S3 weisen eine diesbezügliche Oberflächentemperatur auf, wobei die letzte Heizzone S3 die höchste Temperatur aufweist.
Bei einem etwas anders gestalteten Heiztisch 6 wird der mit den Abdeckmaterialbahnen 3, 4 abgedeckte Faserstrang 2 entlang der ersten Heizzone S1 des Heiztisches 6 auf eine Temperatur von T5 = 100°C ± 10°C, entlang der zweiten Heizzone S2 des Heiztisches 6 auf eine Temperatur von T6 = 150°C ± 10°C und entlang der dritten Heizzone S3 des Heiztisches 6 auf eine Temperatur von 17 = 80°C ± 10°C erwärmt. Die jeweiligen Heiztischzonen S1 bis S3 weisen eine diesbezügliche Oberflächentemperatur auf wobei die mittlere Heizzone S2 die höchste Temperatur hat.
Der Transport der Kunststoffmatrix 14 von der oberen und der unteren Abdeckmaterialbahn 3, 4 in die Tiefe des Faserstranges 2 hin zu jeder einzelnen Faser erfolgt im Wesentlichen hinter der Ablegrolle 5, wenn die Compositestruktur aus Faserstrang 2, Abdeckmaterialbahnen 3, 4 und Kunststoffmatrix 14 mit einer auf diese wirkende Zugkraft F6 über den konvex gekrümmten Heiztisch 6 mit seinen drei unterschiedlichen Heizzonen S1, S2 und S3 gezogen wird. Da dieser mit den Abdeckmaterialbahnen 3, 4 belegte Faserstrang 2 über die konvex gekrümmte Heiztischoberfläche 15 gezogen und hinsichtlich seiner Bewegungsrichtung dieser konvexen Geometrie folgt, resultiert aus der Zugkraft F6 eine Normalkraft F2, welche die beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 mit ihrer Kunststoffmatrix 14 und die Fasern des Faserstranges 2 gegen den Heiztisch 6 drückt. Dabei durchdringt die erhitzte Kunststoffmatrix 14 den Faserstrang 2, so dass alle seine Fasern schonend und vergleichsweise langsam imprägniert werden. Eine ausreichend große Tischlänge verbunden mit einer auch diesbezüglich angepassten Transportgeschwindigkeit V von beispielsweise 0,05 m/s bis 0,2 m/s sorgen dafür, dass trotz der vergleichsweise geringen Normalkraft F2 der Faserstrang 2 vollständig von der Kunststoffmatrix 14 durchdrungen wird.
Dadurch, dass bei dem Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit der Kunststoffmatrix 14 keine Anpress- oder Kalanderwalzen mit vergleichsweise hohen Anpressdrücken verwendet werden, ist der zu verzeichnende Faserbruch vorteilhaft klein. Da alle Fasern des Faserstranges 2 sowie die obere Abdeckmaterialbahn 3 und die untere Abdeckmaterialbahn 4 mit der gleichen Transportgeschwindigkeit V über den Heiztisch 6 gezogen werden, entstehend keine bzw. nur vernachlässigbare Relativgeschwindigkeiten dieser Elemente gegeneinander, so dass die eingangs erläuterte Faserfaltung nicht oder nur unwesentlich auftritt.
Um die Verweildauer auf dem Heiztisch 6 zu minimieren oder um den Heiztisch vergleichsweise kurz bauen zu können, ist dieser mit den bereits genannten drei Heizzonen S1, S2 und S3 versehen. Diese Heizzonen S1, S2 und S3 ermöglichen eine systematische Temperaturführung insbesondere der Kunststoffmatrix 14, wobei zunächst eine gezielte Temperaturerhöhung und damit Viskositätsverringerung durchgeführt wird, welche das Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit der Kunststoffmatrix 14 erleichtert.
In Transportrichtung gesehen hinter der Ablegrolle 5 sind an der Fertigungsvorrichtung 1 gemäß 3 drei Glättrollen 7, 8 und 9 angeordnet, die mit einer vergleichsweise geringen Auflagekraft bzw. Glättkraft F3, F4, F5 auf die Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 drücken und dadurch ein Glätten derselben durchführen. Ein solches Glätten der Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 kann sinnvoll sein, da die Ablegkraft F1 der Ablegrolle 5 verhältnismäßig gering ist. Diese Glättrollen 7, 8 und 9 sind bevorzugt im Bereich der dritten Heizzone S3 des Heiztisches 6 angeordnet.
Beim Verlassen des Heiztisches 6 beträgt die mittlere Temperatur des bedeckten und kunststoffmatrixdurchtränkten Faserstranges 2 in diesem Ausführungsbeispiel etwa 60°C. Um diese Temperatur weiter abzusenken und um insbesondere das chemische Reagieren des Härters mit dem Kunstharz der noch flüssigen Kunststoffmatrix 14 zu verhindern bzw. zu stoppen, wird dieser Faserstrang 2 in einem Verfahrensschritt J über die gekühlte Oberfläche eines Kühltisches 10 gezogen. Der mit der Kunststoffmatrix 14 imprägnierte Faserstrang 2 weist beim Verlassen des Kühltisches 10 eine Temperatur von T8 = 18°C ± 4°C gemäß der ersten Variante oder T8 = 8°C ± 4°C gemäß der zweiten Variante auf. Diese zweite Variante ist diejenige, bei der die dritte Heizzone S3 des Heiztisches 6 kühler ist als die mittlere Heizzone S2.
Anschließend wird gemäß einem Verfahrensschritt K der Prepreg-Strang 11 in Stücke 11' definierter Länge geschnitten oder zu einer Prepreg-Rolle 20 aufgewickelt. Die Abdeckmaterialbahnen 3, 4 ermöglichen später ein problemloses Abwickeln von der Prepreg-Rolle 20 oder ein Vereinzeln von gestapelten Prepregs 11'.
Das Zerschneiden des Prepreg-Stranges 11 in einzelne Prepreg-Stücke 11' oder das Aufwickeln des Prepreg-Stranges 11 zu einer Prepreg-Rolle 20 erfolgt bei einer Umgebungstemperatur von T9 = 23°C ± 10°C.
Der gesamte Zeitraum zwischen dem Zuführen beziehungsweise Zusammenführen der Abdeckmaterialbahnen 3, 4 und des Faserstranges 2 auf dem Heiztisch 6 sowie die dortige Wärmebehandlung und die Abkühlphase auf dem Kühltisch 10 wird als Zeitraum Δt2 bezeichnet (1, 2). Dessen Dauer wird hier nicht angegeben, da diese von der Länge des Heiztisches 6 und der Länge des Kühltisches 10 sowie von der Transportgeschwindigkeit V abhängig ist, mit der der Faserstrang über diese beiden Tische gezogen wird.
Der nächste Verfahrensschritt L ist dadurch gekennzeichnet, dass die Prepreg-Stücke 11' oder die Prepreg-Rolle 20 bei einer Temperatur von T10 = 8°C + 4°C/–2°C für einen Zeitraum von Δt3 12 Stunden in einem klimatisierten Raum 29 zwischengelagert werden. In diesem Zeitraum reifen die Prepregs derart, dass eine vollständige Impragnierung aller Fasern sichergestellt wird und Luftblasen aus dem Verbundkörper ausgetrieben werden.
Im nächsten Verfahrensschritt M wird die Prepreg-Rolle 20 in Prepreg-Stücke 11' zertrennt und diese, oder zuvor abgeschnittene Prepreg-Stücke 11', bei einer Temperatur von T11 21°C ± 3°C innerhalb eines Zeitraumes von Δt4 = 30 Minuten zu Roh-Blattfedern 23 vertikal übereinander gestapelt und anschließend zwischengelagert. Dabei werden diese Prepregs 11' auf einer konkav gewölbten Oberfläche 22 einer Aufbauform 21 aufgestapelt, welche weitgehend mit derjenigen Geometrie übereinstimmt, die auch eine später zur Anwendung gelangende Pressform 26 einer Presse 25 aufweist.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt N werden die Roh-Blattfedern 23 in einem dem klimatisierten Raum 24 mit Luftentfeuchter im Wesentlichen kondensatfrei bei einer Temperatur von T12 = 21°C ± 3°C für einen Zeitraum von Δt5 = 24 Stunden zwischengelagert, so dass auch in diesem Verfahrenschritt ein weiterer Reifevorgang erfolgen kann. Bei dieser Zwischenlagerung wird wegen der gekrümmten Ablage der gestapelten Prepregs als Roh-Blattfeder 23 das Austreten überschüssiger Kunstharzmatrix 14 aus diesem Verbundkörper begünstigt.
In einem dann folgenden Verfahrensschritt O werden die Roh-Blattfedern 23 in der Presse 25 bei einer Temperatur von T13 = 125°C bis 180°C über einen Zeitraum Δt6 = 35 Minuten bis 42 Minuten mit einer Presskraft gepresst. Dabei wird die gesamte überflüssige Kunststoffmatrix 14 aus dem Verbundkörper herausgedrückt sowie die Form der späteren Blattfeder 28 wertgehend hergestellt. Zudem findet in der Presse 25 ein erstes Abbinden der in der Roh-Blattfeder 23' verbliebenen Kunststoffmatrix 14 statt.
Im Anschluss daran wird in einem Verfahrenschritt P die gepresste Roh-Blattfeder 23' aus der Presse 25 entnommen und in einem Temperofen 27 abgelegt. Hier bleiben die Roh-Blattfedern 23' bei einer Temperatur von T14 = 160°C für einen Zeitraum von Δt7 = 4 Stunden, wobei der Abbindevorgang in den Blattfedern abgeschlossen wird.
Bevorzugt ist bei diesem Verfahren vorgesehen, dass die Roh-Blattfedern 23' in dem genannten klimatisierten Raum 24 und/oder in dem erwähnten Temperofen 27 jeweils auf einer konvex gekrümmten Unterlage 22 gelagert werden, deren Oberflächengeometrie weitgehend mit der Form einer Presse 25 übereinstimmt.
Schließlich sieht das Verfahren gemäß der Erfindung vor, dass die jeweiligen Roh-Blattfedern 23' nach der Temperaturbehandlung im Temperofen 27 auf eine Temperatur von T15 = 23°C ± 10°C abgekühlt und in einem Verfahrensschritt Q1 innerhalb eines Zeitraumes von Δt8 = 5 Minuten einer Endbearbeitung, etwa zur Gradbeseitigung, unterzogen werden, in einem Verfahrensschritt Q2 während eines Zeitraumes Δt9 = 2 Minuten einem Prüfstandtest ausgesetzt werden und abschließend in einem Verfahrensschritt Q3 in einem Zeitraum Δt10 = 3 Minuten einer Warenausgangskontrolle unterzogen werden.
Bezugszeichenliste

1: Fertigungsvorrichtung
2: Faserstrang; Faser
3: Obere Abdeckmaterialbahn
4: Untere Abdeckmaterialbahn
5: Auflegrolle
6: Heiztisch
7: Glättrolle
8: Glättrolle
9: Glättrolle
10: Kühltisch
11: Prepreg-Strang
11': Abgeschnittener Prepreg
12: Zuführvorrichtung für die flüssige Kunststoffmatrix
13: Zuführvorrichtung für flüssige Kunststoffmatrix
14: Flüssige Kunststoffmatrix
15: Heiztischoberfläche
16: Eingangseitiger Abschnitt des Heiztisches
20: Prepreg-Rolle
21: Aufbauform zum Aufbau der Roh-Blattfeder aus Prepreg-Lagen
22: Konvex gekrümmte Oberfläche der Aufbauform
23: Roh-Blattfeder aus Prepreg-Lagen
23': Gepresste Roh-Blattfeder
24: Klimatisierter Raum
25: Presse
26: Pressform
27: Temperofen
28: Fertige Blattfeder
29: Klimatisierter Raum
A: Vorwärmung des Kunstharzes
B: Vorwärmung des Härters
C: Vorwärmung des Beschleunigers
D: Beschichten der unteren Abdeckmaterialbahn mit der Kunststoff matrix
E: Beschichten der oberen Abdeckmaterialbahn mit der Kunststoff-matrix
F: Zusammenführen von Faserstrang und Abdeckmaterialbahnen
F1: Auflegkraft der Auflegrolle 5
F2: Normalkraftanteil der Zugkraft F6 auf den Strang
F3: Andrückkraft der Glättrolle 7
F4: Andrückkraft der Glättrolle 8
F5: Andrückkraft der Glättrolle 9
F6: Zugkraft
G: Erwärmung des abgedeckten Faserstranges auf einer ersten Heiztischzone
H: Erwärmung des abgedeckten Faserstranges auf einer zweiten Heiztischzone
I: Erwärmung des abgedeckten Faserstranges auf einer dritten Heiztischzone und Glätten
J: Kühlen des abgedeckten Faserstranges auf einem Kühltisch
K: Aufwickeln des abgedeckten Faserstranges
L: Abrollen des Prepreg-Stranges 11
M: Ablegen von Prepregs auf eine konvex gekrümmte Unterlage
N: Zwischenlagerung der gestapelten Prepregs in einem Kühlraum
O: Pressen der gestapelten Prepregs
P: Erwärmen der Roh-Blattfeder
Q1: Endbearbeitung
Q2: Prüfstand
Q3: Warenausgangskontrolle
S1: Eingangsseitige Heizzone des Heiztisches
S2: Mittlere Heizzone des Heiztisches
S3: Ausgangsseitige Heizzone des Heiztisches
T1: Temperatur der Werkstoffe zu Beginn der Fertigung
T2: Vorwarmtemperatur des Kunstharzes
T3: Vorwärmtemperatur des Härters
T4: Vorwärmtemperatur des Beschleunigers
T5: Oberflächentemperatur des Heiztisches in der ersten Heizzone S1
T6: Oberflächentemperatur des Heiztisches in der ersten Heizzone S2
T7: Oberflächentemperatur des Heiztisches in der ersten Heizzone S3
T8: Oberflächentemperatur des Kühltisches
T9: Umgebungstemperatur bei Zerschneiden oder Aufwickeln des Prepreg-Stranges
T10: Kühlraumtemperatur des klimatisierten Raumes 29
T11: Umgebungstemperatur beim Stapeln von Prepreg-Abschnitten
T12: Umgebungstemperatur beim Zwischenlagern von Roh-Blattfedern
T13: Temperatur der Roh-Blattfeder beim Pressen
T14: Temperatur der Roh-Blattfeder im Temper-Ofen
T15: Temperatur der Blattfeder bei Endbearbeitung, Prüfstandtest und Warenausgangskontrolle
V: Geschwindigkeit
WE: Wareneingang

Claims

Verfahren zur Herstellung von Blattfedern (28) aus einem Faserverbundwerkstoff (11) mit den folgenden Verfahrensschritten: – Abdecken der Oberseite und der Unterseite eines Faserstranges (2), der aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern besteht, mit jeweils einer Abdeckmaterialbahn (3, 4), – Benetzen der Fasern des Faserstranges (2) mit einer noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14), – Erwärmen des abgedeckten und kunststoffmatrixbelegten Faserstranges (2) zur Imprägnierung der Fasern des Faserstranges (2) mit der noch nicht abgebundenen Kunststoffmatrix (14), – Abkühlen des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges (2), – Abschneiden des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten Faserstranges (2) zu einzelnen Prepregs (11') oder Aufwickeln zu einer Prepreg-Rolle (20), – Ablegen von mehreren Lagen Prepregs (11) vertikal übereinander auf einer konvex gekrümmten Oberfläche (22) zu einer Roh-Blattfeder (23), – Kühlen der Roh-Blattfeder (23) auf einer konvex gekrümmten Oberfläche (22), – Pressen der Roh-Blattfeder (23) in einer Presse (25) zu einer gepressten Roh-Blattfeder (23'), – Erwärmen der gepressten Roh-Blattfeder (23'), und – Endbearbeitung der gepressten Roh-Blattfeder (23') zur fertigen Blattfeder (28).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunstharz, der Härter und der Beschleuniger der Kunststoffmatrix (14) ausgehend von einer Werkstofftemperatur von T1 = 23°C ± 10°C jeweils separat innerhalb eines Zeitraumes von Δt1 = 22 Stunden bis 26 Stunden auf folgende Temperaturen gebracht werden: Kunstharz T2 = 80°C ± 10°C, Härter T3 = 55°C ± 10°C, Beschleuniger T4 = 35°C ± 10°C.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunstharz, der Härter und der Beschleuniger der Kunststoffmatrix (14) ausgehend von einer Werkstofftemperatur von T1 = 23°C ± 10°C jeweils separat innerhalb eines Zeitraumes von Δt1 = 24 Stunden auf folgende Temperaturen gebracht werden: Kunstharz T2 = 80°C ± 10°C, Härter T3 = 55°C ± 10°C, Beschleuniger T4 = 35°C ± 10°C.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2 oder 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunstharz, der Härter und der Beschleuniger zur Bildung der noch flüssigen Kunststoffmatrix (14) zusammengeführt werden, und dass anschließend die später zu dem Faserstrang (2) weisende Seite von zumindest einer von zwei Abdeckmaterialbahnen (3, 4) mit der Kunststoffmatrix (14) beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckmaterialbahnen (3, 4) und die Fasern des Faserstrangs (2) vor deren Beschichten bzw. vor deren Zusammenführen eine Temperatur von T1 = 23°C ± 10°C aufweisen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, die Abdeckmaterialbahnen (3, 4) und der Faserstrang (2) über die konvex gekrümmte Oberfläche (15) eines Heiztisches (6) gezogen und dort zusammengeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mit den beschichteten Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte Faserstrang (2) entlang einer ersten Heizzone (S1) des Heiztisches (6) auf eine Temperatur von T5 = 75°C ± 10°C, entlang einer zweiten Heizzone (S2) des Heiztisches (6) auf eine Temperatur von T6 = 110°C ± 10°C und entlang einer dritten Heizzone (S3) des Heiztisches (6) auf eine Temperatur von T7 = 120°C ± 10°C gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mit den beschichteten Abdeckmaterialbahnen (3, 4) abgedeckte Faserstrang (2) entlang einer ersten Heizzone (S1) des Heiztisches (6) auf eine Temperatur von T5 = 100°C ± 10°C, entlang einer zweiten Heizzone (S2) des Heiztisches (6) auf eine Temperatur von T6 = 150°C ± 10°C und entlang einer dritten Heizzone (S3) des Heiztisches (6) auf eine Temperatur von T7 = 80°C ± 10°C gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der abgedeckte und mit der Kunststoffmatrix (14) imprägnierte Faserstrang (2) im Bereich der dritten Heizzone (S3) an seiner Oberseite durch die Auflagekraft (F3, F4, F5) von zumindest einer Glättrolle (7, 8, 9) geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der abgedeckte und mit der Kunststoffmatrix (14) imprägnierte Faserstrang (2) nach dem Verlassen des Heiztisches (6) über die Oberfläche eines Kühltisches (10) geführt wird, auf dem die Temperatur dieses Faserstranges (2) auf T8 = 18°C ± 4°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der abgedeckte und mit der Kunststoffmatrix (14) imprägnierte Faserstrang (2) nach dem Verlassen des Heiztisches (6) über die Oberfläche eines Kühltisches (10) geführt wird, auf dem die Temperatur dieses Faserstranges (2) auf T8 = 8°C ± 4°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der abgekühlte, abgedeckte und imprägnierte Faserstrang (2) als Prepreg-Strang (11) in einzelne Prepreg-Stücke (11') abgeschnitten oder zu einer Prepreg-Rolle (20) bei einer Umgebungstemperatur von T9 = 23°C ± 10°C aufgerollt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Prepreg-Stücke (11') oder die Prepreg-Rolle (20) bei einer Temperatur von T10 = 8°C + 4°C/–2°C für einen Zeitraum von Δt3 = 12 Stunden in einem klimatisierten Raum (29) zwischengelagert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass abgeschnittene Prepreg-Stücke (11') bei einer Temperatur von T11 = 21°C ± 3°C innerhalb eines Zeitraumes von Δt4 = 30 Minuten zu Roh-Blattfedern (23) vertikal übereinander gestapelt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Roh-Blattfedern (23) in einem klimatisierten Raum (24) bei einer Temperatur von T12 21°C ± 3°C für einen Zeitraum von Δt5 = 24 Stunden weitgehend kondensatfrei zwischengelagert werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Roh-Blattfedern (23) in der Presse (25) bei einer Temperatur von T13 = 125°C bis 180°C in einem Zeitraum von Δt6 = 35 Minuten bis 42 Minuten gepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gepressten Roh-Blattfedern (23') in einem Temperofen (27) einer Temperatur von T14 = 160°C für einen Zeitraum von Δt7 = 4 Stunden ausgesetzt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Roh-Blattfedern (23) in dem klimatisierten Raum (24) und/oder in dem Temperofen (27) jeweils auf einer konvex gekrümmten Unterlage (22) gelagert werden, deren Oberflächengeometrie weitgehend mit der Form (26) der Presse (25) übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die gepressten Roh-Blattfedern (23') nach der Temperaturbehandlung im Temperofen (27) auf eine Temperatur von T15 = 23°C ± 10°C abgekühlt und innerhalb eines Zeitraumes von Δt8 bis Δt10 = 10 Minuten einer Endbearbeitung, einer Untersuchung auf einem Prüfstand und einer Warenausgangskontrolle unterzogen werden.