DE102007009124A1 - Induktionsgestützte Fertigungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Bei einem Fertigungsverfahren für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen wird ein bandförmiges, Verstärkungsfasern und ein duroplastisches oder thermoplastisches Harz aufweisendes Ausgangsmaterial (1) kontinuierlich vorgeschoben oder vorgezogen. Das vorlaufende Ausgangsmaterial (1) wird durch Einkoppeln eines magnetischen Wechselfeldes in das Harz im Durchlauf erwärmt. Das Harz des Ausgangsmaterials (1) ist dazu mit magnetischen Partikeln versetzt, die an das magnetische Wechselfeld ankoppeln. Das erwärmte Ausgangsmaterial (1) wird fortlaufend in den Formkörper geformt; und das Harz wird in dem Formkörper ausgehärtet.
Description
- TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Fertigungsverfahren für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen mit den Schritten des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Fertigungsvorrichtung für solche Formkörper mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 14.
- STAND DER TECHNIK
- Ein Fertigungsverfahren für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen mit den Schritten des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine entsprechende Fertigungsvorrichtung sind unter dem Stichwort Pultrusion oder auch Strangziehen bekannt. Bei diesem Stand der Technik wird das Ausgangsmaterial typischerweise aus trockenen Verstärkungsfasern zubereitet, die durch eine Harzwanne geführt werden, um sie mit Harz zu tränken. Das derart zubereitete Ausgangsmaterial wird dann einem Formwerkzeug zugeführt, in dem es im kontinuierlichen Durchlauf geformt und bezüglich seines Harzanteils ausgehärtet wird. Aus dem Formwerkzeug tritt der gefertigte Formkörper in Form eines Endlosprofils aus, das dann in Abschnitte gewünschter Länge unterteilt wird. Die Vorzugkraft auf das Ausgangsmaterial wird dabei im Bereich des Endlosprofils durch ein Ziehwerkzeug aufgebracht. Die konkret den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 14 entsprechende Variante der Pultrusion geht von so genannten Prepregs als Ausgangsmaterial aus, die Verstärkungsfasern und Harz aufweisen, das vor dem Eintritt der Prepregs in das Formwerkzeug im Durchlauf durch eine Aufwärmeinrichtung zumindest vorerwärmt wird. Eine weitere Erwärmung des Harzes zum Aushärten desselben kann in dem Formwerkzeug erfolgen. Bei derzeit eingesetzten Pultrudern wird das Ausgangsmaterial mittels Infrarotstrahlung, offener Flamme, Heißluft oder heißem Inertgas vor dem Formwerkzeug erwärmt. Die Erwärmung im Werkzeug erfolgt über das Werkzeug, das seinerseits durch Heizpatronen, Wasser oder Induktionsspulen erwärmt wird.
- Die
JP 63035334 A - Zu den Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und den entsprechenden Fertigungsvorrichtungen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 14 zählen auch das Tapelegen und das Tapewickeln zum Herstellen von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen sowie entsprechende Tapeleger und Tapewickler. Hier kommen bislang grundsätzlich dieselben Techniken zur Erwärmung des Ausgangsmaterials zum Einsatz, wie sie oben für die Erwärmung bei der Pultrusion vor dem Formwerkzeug beschrieben wurden. Zusätzlich kann das Ausgangsmaterial auf den Teil des Formkörpers, auf den es bei diesem Fertigungsverfahren aufgelegt bzw. aufgewickelt wird, "aufgebügelt" werden, wobei es mit einem heißen Werkzeug angepresst oder angedrückt wird.
- Alle oben geschilderten Verfahren der Erwärmung des Ausgangsmaterials bei der Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen auf der Basis von bandförmigen Ausgangsmaterialien sind mit dem Nachteil verbunden, dass sie keine schnelle und dennoch kontrollierte Erwärmung des Ausgangsmaterials auf erhöhte Temperaturen zulassen, wie sie beispielsweise für hochwertige thermoplastische Harze, so wie PEEK, erforderlich sind, um hieraus mit wirtschaftlich hoher Geschwindigkeit Formkörper auszubilden. Alle diese Techniken erfordern zur Erwärmung mit hoher Erwärmungsrate sehr hohe Kontakttemperaturen, die unmittelbar mit der Gefahr einer Beschädigung des Ausgangsmaterials verbunden sind.
- Aus der
DE 38 80 716 T2 ist es bekannt, thermoplastische Schichten, die durch leitende Fasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, verstärkt sind, dadurch zu verbinden, dass ein magnetisches Wechselfeld in die Fasern eingekoppelt wird, um in diesen elektrische Ströme zu induzieren. Die elektrischen Ströme werden durch den Widerstand der leitenden Fasern in Wärme umgewandelt, die sich auf einen Harzanteil der thermoplastischen Schichten überträgt. - Die Induktion der elektrischen Ströme erfolgt erst bei einer relativ großen Frequenz des magnetischen Wechselfelds oberhalb 1 MHz, und sie verlangt, dass die unidirektional verlaufenden leitenden Fasern mehrerer Schichten in verschiedenen Richtungen verlaufen, damit Wirbelströme über die Fasern fließen können. Bei den Ausgangsmaterialien der Verfahren der eingangs beschriebenen Art liegen die Verstärkungsfasern in aller Regel aber nur in einer einzigen Schicht mit unidirektionaler Orientierung in der Vorlaufrichtung des Ausgangsmaterials vor. Zudem ist eine Erwärmung des Harzes über die Verstärkungsfasern ebenfalls mit dem Nachteil verbunden, dass die gesamte Wärme, die dem Harz zugeführt werden soll, von außen, d. h. hier von den leitenden Fasern, auf das Harz übertragen werden muss. Dies begrenzt die mögliche Aufheizungsrate, die unter kontrollierten und beschädigungsfreien Bedingungen möglich ist.
- Aus der
DE 692 25 480 T2 ist es bekannt, die Erhitzung eines faserverstärkten Harzmaterials durch magnetische Induktion ohne ein wesentliches Erhitzen der elektrisch leitenden Fasern zu bewirken, indem das Harz mit magnetischen Teilchen versetzt wird, die bei Einkopplung eines magnetischen Wechselfelds als Vorzugserhitzungsmaterial dienen. Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und entsprechende Vorrichtungen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 14 finden dabei keine Erwähnung oder anderweitige Berücksichtigung. - Aus der
WO 02/12409 WO 02/12409 - AUFGABE DER ERFINDUNG
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fertigungsverfahren für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen mit den Schritten des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und eine entsprechende Fertigungsvorrichtung für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 14 aufzuzeigen, die eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit auch bei Verwendung von Harzen erlauben, die auf eine hohe Temperatur erwärmt werden müssen, ohne dass dabei die Gefahr von thermischen Beschädigungen der Verstärkungsfasern des Ausgangsmaterials besteht.
- LÖSUNG
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Fertigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 13 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Fertigungsverfahrens während die abhängigen Patentansprüche 15 bis 22 bevorzugte Ausführungsformen der neuen Fertigungsvorrichtung betreffen.
- BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Bei dem neuen Fertigungsverfahren wird das Ausgangsmaterial im schnellen Durchlauf durch Einkoppeln eines magnetischen Wechselfeldes in das Harz erwärmt. Hierdurch ist eine sehr schnelle, aber gleichzeitig kontrollierte und gleichmäßige Erwärmung des Harzes möglich, so dass dieses auch bei hoher Vorlaufgeschwindigkeit in einem idealen Zustand in den Formkörper geformt wird. Dies hat eine hohe Qualität des Formkörpers zur Folge, wenn das Harz in dem Formkörper ausgehärtet ist. Dies gilt insbesondere in Bezug auf die Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen unter Verwendung hochschmelzender thermoplastischer Harze, beispielsweise solcher, die erst oberhalb 250°C aufschmelzen, so wie Polyetherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfid (PPS). Indem bei dem neuen Fertigungsverfahren das magnetische Wechselfeld selektiv in das Harz eingekoppelt wird, werden die Verstärkungsfasern thermisch nicht oder nur wenig belastet. Bei Verarbeitung von thermoplastischem Harz mit hoher Geschwindigkeit können sie sogar gezielt als Wärmepuffer ausgenutzt werden, indem sie nach dem Formen des Ausgangsmaterials in den gewünschten Formkörper bereits mit ihrer Wärmekapazität einen Teil der Wärme aus dem Harz aufnehmen, die zum Aushärten des Harzes aus diesem entfernt werden muss. Die Maximaltemperatur erreicht dann nur das Harz, um es mit anderen Lagen oder Bändern des Ausgangsmaterials dauerhaft in dem Formkörper zu verbinden.
- Um die selektive Ankopplung des Harzes des Ausgangsmaterials an das magnetische Wechselfeld zu erreichen, kann das Harz mit magnetischen Partikeln versetzt werden, die an das magnetische Wechselfeld ankoppeln. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um vergleichsweise kleine magnetische Partikel mit einer Primärpartikelgröße kleiner 500 nm. Hierdurch weisen die magnetischen Partikel verglichen mit ihrem Gewichtsanteil an dem Harz eine sehr große Oberfläche für die Wärmeübertragung auf das Harz auf. Besonders bevorzugt sind sehr kleine magnetische Partikel von typischerweise weniger als 50 nm Primärpartikelgröße, die in der Regel superparamagnetische Eigenschaften aufweisen. Sie sorgen damit für die Möglichkeit eines besonders hohen Wärmeübertrags in das Harz und das auch bis in den Bereich relativ hoher Temperaturen von 350 bis 550°C, was völlig ausreichend ist, um auch hochschmelzende thermoplastische Harze aufzuschmelzen.
- Die magnetischen Partikel können mit einer Schutzschicht, z. B. aus SiO2 oder einer anderen inerten Verbindung überzogen sein, um gegenüber Lösemittel, Feuchtigkeit und auch reaktiven Bestandteilen des Harzes inert zu sein. Darüber hinaus können derartige und auch andere Schutzschichten dazu vorgesehen sein die Kompatibilität der Teilchen mit dem Harz zu verbessern, um sie leichter gleichmäßig in dem Harz dispergieren zu können und um beispielsweise auch einer Bildung von Aggregaten aus den Partikeln vorzubeugen.
- Bei derartigen hochgradig kompatiblen magnetischen Partikeln können dem Harz auch relativ hohe Anteile an magnetischen Partikeln bis zu 50 Gewichts-% zugesetzt werden. Es müssen aber nur so viele Partikel zugesetzt werden, wie sie für die erforderliche Erwärmung des Harzes benötigt werden. In Einzelfällen können hierfür auch 0,1 Gewichts-% magnetische Partikel oder nur wenig mehr ausreichend sein.
- Bei dem neuen Fertigungsverfahren ist es völlig unkritisch, wenn die Verstärkungsfasern, wie dies bei üblichen Fertigungsverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ebenfalls der Fall ist, unidirektional in der Laufrichtung des Ausgangmaterials verlaufen. Im Gegenteil stellt dies sogar bei Verwendung von Verstärkungsfasern aus elektrisch leitfähigem Material, wie beispielsweise Kohlenstofffasern sicher, dass keine relevante Einkopplung des magnetischen Wechselfelds in die Verstärkungsfasern und damit auch keine relevante Aufheizung der Verstärkungsfasern durch induzierte Wirbelströme erfolgt.
- Das magnetische Wechselfeld kann bei dem neuen Fertigungsverfahren mit einer Frequenz von typischerweise 100 kHz bis 10 MHz und vorzugweise mit einer Frequenz von 100 kHz bis 1 MHz in das Harz eingekoppelt werden. Es versteht sich, dass die Frequenz so zu optimieren ist, dass mit minimalem Aufwand ein maximaler Effekt in Bezug auf die gleichmäßige Erwärmung des Harzes erzielt wird.
- Vorzugsweise wird bei dem neuen Fertigungsverfahren das in den Formkörper geformte Ausgangsmaterial gekühlt. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass ein Ausgangsmaterial mit einem thermoplastischen Harz eingesetzt wird, was bei dem neuen Fertigungsverfahren durchaus bevorzugt ist. Durch die Kühlung des Ausgangsmaterials in dem Formkörper wird die zuvor für das Einformen des Ausgangsmaterials in den Formkörper benötigte Plastizität des Harzes wieder beseitigt, um den mit dem Einformen des Ausgangsmaterials in den Formkörper hergestellten Verbund zu fixieren.
- In einer konkreten Ausführungsform kann bei dem neuen Fertigungsverfahren das Ausgangsmaterial in einem Pultrusionsprozess in den Formkörper geformt werden. Dabei kann das magnetische Wechselfeld direkt vor einem Formwerkzeug in das Ausgangsmaterial eingekoppelt werden, so dass das Ausgangsmaterial erwärmt wird, bevor es in das Formwerkzeug eintritt.
- In einer anderen konkreten Ausführungsform des neuen Fertigungsverfahrens wird das Ausgangsmaterial in einem Tapelegeprozess an einen bereits vorhandenen Teil des Formkörpers angeformt. Dabei kann das magnetische Wechselfeld im Bereich zwischen Führungsrollen und einem gekühlten Anpresswerkzeug für das Ausgangsmaterial in das Ausgangsmaterial eingekoppelt werden. Bei diesem neuen Tapelegeprozess wird also das Ausgangsmaterial mit dem Anpresswerkzeug bereits wieder gekühlt, so dass sich der bereits vorhandene Teil des Formkörpers insgesamt auf einer relativ niedrigen Temperatur befindet. Dies hat zur Folge, dass der bereits vorhandene Teil des Formkörpers formstabil ist.
- Bei einer anderen Ausführungsform des neuen Fertigungsverfahrens wird das Ausgangsmaterial in einem Wickelprozess auf einen bereits vorhandenen Teil des Formkörpers aufgewickelt. Dabei kann sich theoretisch eine Rovingführung um den bereits vorhandenen Teil des Formkörpers bewegen. Typischerweise wird aber der bereits vorhandene Teil des Formkörpers gedreht werden. Das magnetische Wechselfeld kann dabei im Bereich zwischen der Rovingführung und einem hier ebenfalls gekühlten Andruckwerkzeug für das Ausgangsmaterial in das Ausgangsmaterial eingekoppelt werden.
- Eine neue Fertigungsvorrichtung für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen, mit der das neue Fertigungsverfahren umsetzbar ist, weist eine Aufwärmeinrichtung zum Einkoppeln des magnetischen Wechselfelds in das Harz des durchlaufenden Ausgangsmaterials auf.
- Vorzugsweise ist zur Erzeugung des magnetischen Wechselfelds ein Wechselstromgenerator vorgesehen, der einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 100 kHz bis 1 MHz durch eine Induktionsspule der Aufwärmeinrichtung generiert.
- Die neue Fertigungsvorrichtung weist neben der Aufwärmvorrichtung vorzugsweise eine Kühleinrichtung zum Kühlen des in dem Formkörper geformten Ausgangsmaterials auf.
- Konkret kann die Fertigungsvorrichtung ein Pultruder sein. Dabei kann die Aufwärmeinrichtung vor einem Formwerkzeug für das Ausgangsmaterial vorgesehen sein.
- Bei der neuen Fertigungsvorrichtung kann es sich auch um einen Tapeleger handeln, dabei kann die Aufwärmeinrichtung im Bereich zwischen Führungsrollen und einem gekühlten Anpresswerkzeug für das Ausgangsmaterial vorgesehen sein.
- In einer weiteren konkreten Ausführungsform ist die neue Fertigungsvorrichtung ein Tapewickler. Bei diesem kann die Aufwärmeinrichtung im Bereich zwischen einer Rovingführung und einem gekühlten Andruckwerkzeug für das Ausgangsmaterial vorgesehen sein.
- In allen Ausführungsformen des neuen Fertigungsverfahrens und der neuen Vorrichtung können zusätzliche Schritte bzw. Einrichtungen vorgesehen sein, um das Ausgangsmaterial aus zunächst trockenen Verstärkungsfasern und dem jeweiligen Harz auszubilden, in dem die Verstärkungsfasern beispielsweise durch eine Wanne laufen, die mit flüssigem Harz gefüllt ist. Umgekehrt kann es sich bei dem Ausgangsmaterial auch um so genannten Prepregs handeln, die bereits mit Harz getränkt sind.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
- KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.
-
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines Tapelegers in einem schematischen Längsschnitt entlang der Vorlaufrichtung von verarbeitetem Ausgangmaterial, -
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Tapelegers in einem schematischen Längsschnitt, -
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Tapelegers in einem schematischen Längsschnitt, und -
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des Tapelegers in einem schematischen Längsschnitt; -
5 zeigt eine erste Ausführungsform eines Tapewicklers in einem schematischen Längsschnitt entlang der Vorlaufrichtung von verarbeitetem Ausgangmaterial, -
6 zeigt eine zweite Ausführungsform des Tapewicklers in einem schematischen Längsschnitt, und -
7 zeigt eine dritte Ausführungsform des Tapewicklers in einem schematischen Längsschnitt; -
8 zeigt eine erste Ausführungsform eines Protruders in einem schematischen Längsschnitt entlang der Vorlaufrichtung von verarbeitetem Ausgangmaterial, -
9 zeigt eine zweite Ausführungsform des Protruders in einem schematischen Längsschnitt, und -
10 zeigt eine dritte Ausführungsform des Protruders in einem schematischen Längsschnitt; und -
11 zeigt eine Auftragung von Aufheizkurven für thermoplastische UD-Carbonprepregs teilweise angereichert mit magnetischen Nanopartikeln als Funktion der elektrischen Leistung einer Aufwärmeinrichtung, die ein magnetisches Feld in das Harz der UD-Carbonprepregs einkoppelt. - FIGURENBESCHREIBUNG
- Ein in
1 schematisch dargestellte Tapeleger dient dazu, einen Formkörper aus bandförmigem Ausgangsmaterial1 herzustellen. Das Ausgangsmaterial1 weist unidirektional in einer Vorlaufrichtung10 des Ausgangsmaterials in dem Tapeleger verlaufende Verstärkungsfasern und ein thermoplastisches Harz auf. Mit dem Tapeleger gemäß1 wird das Ausgangsmaterial1 lagenweise auf ein Werkzeug7 aufgebracht. Dabei liegt nur die erste Lage des Ausgangsmaterials1 unmittelbar an dem Werkzeug7 an. Die weiteren Lagen des Ausgangsmaterials1 werden auf den schon auf dem Werkzeug7 befindlichen Teil6 des gewünschten Formkörpers aufgebracht. Um dabei einen dauerhaften Verbund zwischen dem neu aufgebrachten Ausgangsmaterial1 und dem Teil6 auszubilden, wird das Ausgangsmaterial1 zunächst in einer Vorerwärmungseinrichtung2 angewärmt, die hier so angedeutet ist, dass sie eine elektrische Heizung aufweist. Die Erwärmung des Ausgangsmaterials1 auf die Fügetemperatur, die erforderlich ist, um einen dauerhaften Verbund mit dem fertigen Teil6 des gewünschten Formkörpers herzustellen, wird jedoch erst im Anschluss an eine Rollenführung3 mit einer Aufwärmeinrichtung5 herbeigeführt, die hier mit einer Ablegewalze4 für das Ausgangsmaterial1 kombiniert ist. Konkret weist die Aufwärmeinrichtung5 eine innerhalb der Ablegewalze4 angeordnete Induktionsspule16 auf. Ein hier nicht dargestellter Wechselstromgenerator erzeugt einen Wechselstrom durch die Injektionsspule16 . Das resultierende magnetische Wechselfeld wird in das Harz des Ausgangsmaterials1 eingekoppelt. Um diese Einkopplung und eine hieraus resultierende Erwärmung des Harzes zu fördern, ist das Harz des Ausgangsmaterials1 mit superparamagnetischen Partikeln versetzt. Diese erlauben es, das Harz des Ausgangsmaterials1 während des Ablegens mit der Ablegewalze4 sehr schnell auf eine für den Verbund mit dem schon vorhandenen Teil6 des gewünschten Formkörpers ausreichend hohe Temperatur aufzuwärmen. Dies gilt selbst dann, wenn das Harz des Ausgangsmaterials1 ein erst bei hoher Temperatur oberhalb 250°C aufschmelzendes thermoplastisches Harz ist. Im Anschluss an den Bereich des magnetischen Wechselfelds der Induktionsspule16 wird das abgelegte Ausgangsmaterial1 mit einer Kühlung8 weiter angedrückt und dabei bereits wieder bis unter seine Schmelztemperatur abgekühlt, um seinen Verbund mit den tieferliegenden Lagen des Ausgangsmaterials zu fixieren. - Die Ausführungsform des Tapelegers gemäß
2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß1 dadurch, dass hier auch die Vorerwärmungseinrichtung2 auf Induktionsspulen16 aufbaut, mit denen ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, um es in das Harz des Ausgangsmaterials1 zu dessen Erwärmung einzukoppeln. - Bei der Ausführungsform des Tapelegers gemäß
3 ist die Aufwärmeinrichtung5 mit einer weiteren Induktionsspule16 außerhalb der Ablegewalze4 ausgestattet, die im Einlauf des Ausgangsmaterials1 ein magnetisches Wechselfeld in das Harz des Ausgangsmaterials1 in dem Spalt zwischen der Ablegewalze4 und dem schon vorhandenen Teil6 des gewünschten Formkörpers einkoppelt. Dafür ist die Induktionsspule16 innerhalb der Ablegewalze4 gegenüber denjenigen in den1 und2 etwas in der Vorlaufrichtung10 verdreht, so dass das Ausgangsmaterial1 gemäß3 über einen längeren Bereich aufgewärmt wird, der sich bis in den Fügebereich mit dem Teil6 des schon vorhandenen Formkörpers erstreckt. - Bei dem in
4 skizzierten Tapeleger ist wieder eine Vorerwärmungseinrichtung2 mit elektrischer Heizung vorgesehen. Hier weist die Aufwärmungseinrichtung5 neben der Induktionsspule16 in der Ablegewalze4 eine weitere Induktionsspule16 auf der Rückseite des Werkzeugs7 auf. Eine derart paarweise Anordnung von Induktionsspulen16 , wie sie auch bei den Vorerwärmungseinrichtungen2 gemäß den2 und3 gegeben ist, ermöglicht eine Fokussierung des magnetischen Wechselfelds auf einen bestimmten Bereich. Die Anordnung gemäß4 wärmt dabei auch das Harz der bereits abgelegten Lagen des Ausgangsmaterials1 auf, was für eine innige Verbindung mit dem neu abgelegten Ausgangsmaterial1 von Vorteil sein kann. -
5 zeigt den Aufbau eines Tapewicklers22 als weitere grundsätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Mit dem Tapewickler wird bandförmiges Ausgangsmaterial1 wieder bestehend aus Verstärkungsfasern und thermoplastischem Harz auf ein Werkzeug7 aufgewickelt, das durch einen hier nicht dargestellten Drehantrieb um eine Achse20 umläuft. Das bandförmige Ausgangsmaterial1 wird mehrlagig auf das Werkzeug4 aufgewickelt, um einen rohrförmigen Formkörper aus Faserverbundmaterial auszubilden. Das Ausgangsmaterial wird als Prepreg von einer Vorratsrolle9 abgezogen. Seine Spannung wird mit Hilfe einer federbelasteten Tenzerrolle eingestellt. Anschließend durchläuft es eine Vorerwärmungseinrichtung2 , die gemäß5 mit einer elektrischen Heizung ausgestattet ist. Dann tritt das Ausgangsmaterial durch eine sogenannte Rovingführung14 hindurch. Im Anschluss daran gelangt das Ausgangsmaterial1 in den Einwirkungsbereicht der Aufwärmeinrichtung5 , die hier eine Induktionsspule16 zum Einkoppeln eines elektromagnetischen Wechselfelds in das Harz des Ausgangsmaterials1 aufweist. Das auf das Werkzeug7 bzw. den dort bereits befindlichen Teil6 des gewünschten Formkörpers aufgewickelte Ausgangsmaterial wird mit einer Kühlung8 gekühlt, die den Verbund des im plastischen Zustand aufgewickelten Ausgangsmaterials mit dem Rest des Teils6 des Formkörpers fixiert. - Die in
6 skizzierte Ausführungsform des Tapewicklers22 ist gegenüber der Ausführungsform gemäß5 in Bezug auf die Ausbildung der Vorerwärmungseinrichtung2 variiert. Gemäß6 weist die Vorerwärmungseinrichtung2 zwei Induktionsspulen16 zur Erzeugung eines in das Harz des Ausgangsmaterials1 einzukoppelnden magnetischen Wechselfelds auf. D. h., die gesamte Erwärmung des Ausgangsmaterials1 erfolgt gemäß6 durch Einnkopplung magnetischer Wechselfelder in das Harz. In der in7 gezeigten Ausführungsform des Tapewicklers22 weist die Vorerwärmungseinrichtung2 wieder eine elektrische Heizung auf. Hier ist die Aufwärmeinrichtung5 im Bereich des Auflaufens des Ausgangsmaterials1 auf das Werkzeug7 mit zwei einander über das Ausgangsmaterial1 gegenüberliegenden Induktionsspulen16 ausgerüstet, von denen eine innerhalb des Werkzeugs7 angeordnet ist. Dies entspricht grundsätzlich der Ausführungsform des Tapelegers gemäß4 . -
8 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines Pultruders23 , in dem bandförmiges Ausgangsmaterial1 zu einem Endlosprofil24 geformt und ausgehärtet wird. Das Endlosprofil24 wird mit einem Schneidwerkzeug18 in Profilabschnitte25 unterteilt. Das Ausgangsmaterial1 weist auch hier wieder Verstärkungsfasern und ein thermoplastisches Harz auf. Es wird aus einem Rohmaterialspeicher11 abgezogen, wobei unterschiedliche Lagen des Ausgangsmaterials1 räumlich kombiniert werden können. Das Ausgangsmaterial1 läuft dann in eine Materialführung12 ein, innerhalb derer es die Vorerwärmungseinrichtung2 durchläuft. Die Vorerwärmungseinrichtung2 ist hier mit einer elektrischen Heizung ausgestattet. Danach tritt das Ausgangsmaterial1 in ein Formwerkzeug15 ein. Im vorderen Teil des Formwerkzeugs15 ist hier die Aufwärmeinrichtung5 mit einer Induktionsspule16 vorgesehen. Der hintere Teil des Formwerkzeugs15 ist mit einer Kühlung8 versehen. Aus dem Formwerkzeug15 tritt bereits das Endlosprofil24 aus, an dem ein Zielwerkzeug17 angreift. Mit dem Zielwerkzeug17 wird der gesamte Vorzug in der Vorlaufrichtung10 auf das Ausgangsmaterial1 ausgeübt. - Die Ausführungsform des Pultruders
23 gemäß9 unterscheidet sich von derjenigen gemäß8 durch eine von dem Formwerkzeug15 getrennte Aufwärmeinrichtung5 mit hier zwei einander über die Materialführung12 bzw. das darin laufende Ausgangsmaterial1 gegenüberliegenden Induktionsspulen16 . - Bei dem Pultruder
23 gemäß10 ist zusätzlich auch die Vorerwärmungseinrichtung2 auf der Basis von Induktionsspulen16 aufgebaut. -
11 zeigt mit der Aufheizkurve25 für ein thermoplastisches UD-Carbonprepreg ohne Zuschlag von magnetischen Partikeln zu dem Harz, dass durch Einkoppeln eines magnetischen Wechselfelds selbst dann keine nennenswerte Erwärmung erzielt werden kann, wenn für das Erzeigen des magnetischen Wechselfelds eine Leistung von 5 kW zur Verfügung steht. Demgegenüber demonstrieren die Aufheizkurven26 und27 , die für das Ausgangsmaterial1 gelten, bei dem dem Harz magnetische, vorzugsweise superparamagnetische Partikel zugesetzt sind, dass trotz der unidirektional verlaufenden und damit für eine Ankopplung an das magnetische Wechselfeld ungeeigneten, obwohl grundsätzlich elektrisch leitenden Kohlenstofffasern eine effektive Ankopplung an das magnetische Wechselfeld erfolgt. Diese Ankopplung erfolgt mit den dem Harz zugesetzten magnetischen Partikeln originär über das Harz und damit genau dort, wo die Wärme zum Aufschmelzen des Harzes benötigt wird. Der Aufheizkurve27 liegt dieselbe Leistung des elektromagnetischen Wechselfelds zugrunde wie der Aufheizkurve25 . Ihre Steigung, d. h. die Heizrate beträgt 19 Kelvin pro s. Bereits die für die halbe Leistung von 2,5 kW aufgenommene Aufheizkurve26 entspricht einer Heizrate von 9 Kelvin pro s. So kann das Harz des Ausgangsmaterials1 , insbesondere wenn es vorgewärmt wurde, mit Hilfe des eingekoppelten magnetischen Wechselfelds sehr schnell so aufgeschmolzen werden, wie es für die nachfolgende Verarbeitung des Ausgangsmaterials zur Herstellung des Formkörpers als Faserverbundwerkstoff erforderlich ist. -
- 1
- Ausgangsmaterial
- 2
- Vorerwärmungseinrichtung
- 3
- Rollenführung
- 4
- Ablegewalze
- 5
- Aufwärmeinrichtung
- 6
- Teil des herzustellenden Formkörpers
- 7
- Werkzeug
- 8
- Kühlung
- 9
- Vorratsrolle
- 10
- Vorlaufrichtung
- 11
- Rohmaterialspeicher
- 12
- Materialführung
- 13
- Tenzerrolle
- 14
- Rovingführung
- 15
- Formwerkzeug
- 16
- Induktionsspule
- 17
- Ziehwerkzeug
- 18
- Schneidwerkzeug
- 19
- Profilabschnitt
- 20
- Achse
- 21
- Tapeleger
- 22
- Tapewickler
- 23
- Pultruder
- 24
- Endlosprofil
- 25
- Aufheizkurve
- 26
- Aufheizkurve
- 27
- Aufheizkurve
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (22)
- Fertigungsverfahren für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen, wobei ein bandförmiges, Verstärkungsfasern und ein duroplastisches oder thermoplastisches Harz aufweisendes Ausgangsmaterial kontinuierlich vorgeschoben oder vorgezogen wird, wobei das vorlaufende Ausgangsmaterial im Durchlauf erwärmt wird, wobei das erwärmte Ausgangsmaterial fortlaufend in den Formkörper geformt wird und wobei das Harz in dem Formkörper ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (
1 ) durch Einkoppeln eines magnetischen Wechselfeldes in das Harz erwärmt wird. - Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz des Ausgangsmaterials (
1 ) mit magnetischen Partikeln versetzt wird, die an das magnetische Wechselfeld ankoppeln. - Fertigungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Harz des Ausgangsmaterials (
1 ) mit superparamagnetischen Partikeln versetzt wird. - Fertigungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Partikel dem Harz des Ausgangsmaterials (
1 ) in einem Anteil von 0,1 bis 50 Gew.-% zugesetzt werden. - Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern unidirektional in der Vorlaufrichtung (
10 ) des Ausgangsmaterials (1 ) verlaufen. - Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld mit einer Frequenz von 100 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise mit einer Frequenz von 100 kHz bis 1 MHz, eingekoppelt wird.
- Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Formkörper geformte Ausgangsmaterial (
1 ) gekühlt wird. - Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (
1 ) in einem Pultrusionsprozess in den Formkörper geformt wird. - Fertigungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld vor einem Formwerkzeug (
15 ) in das Ausgangsmaterial (1 ) eingekoppelt wird. - Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (
1 ) in einem Tapelegeprozess an einen bereits vorhandenen Teil des Formkörpers angeformt wird. - Fertigungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld im Bereich zwischen Führungsrollen (
3 ) und einem gekühlten Anpresswerkzeug für das Ausgangsmaterial (1 ) in das Ausgangsmaterial (1 ) eingekoppelt wird. - Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (
1 ) in einem Wickelprozess auf einen bereits vorhandenen Teil des Formkörpers aufgewickelt wird. - Fertigungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld im Bereich zwischen einer Rovingführung (
14 ) und einem gekühlten Andruckwerkzeug für das Ausgangsmaterial (1 ) in das Ausgangsmaterial (1 ) eingekoppelt wird. - Fertigungsvorrichtung für Formkörper aus Faserverbundwerkstoffen, mit einer Vorschub- oder Vorzugeinrichtung zum kontinuierlichen Vorschieben oder Vorziehen eines bandförmigen, Verstärkungsfasern und ein duroplastisches oder thermoplastisches Harz aufweisenden Ausgangsmaterials, mit einer das vorlaufende Ausgangsmaterial im Durchlauf erwärmenden Aufwärmeinrichtung und mit einer das erwärmte Ausgangsmaterial fortlaufend in den Formkörper formenden Formeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmeinrichtung (
5 ) zum Einkoppeln eines magnetischen Wechselfeldes in das Harz ausgebildet ist. - Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselstromgenerator vorgesehen ist, der einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 100 kHz bis 1 MHz durch eine Induktionsspule (
16 ) der Aufwärmeinrichtung (5 ) generiert. - Fertigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung (
8 ) zum Kühlen des in den Formkörper geformten Ausgangsmaterials (1 ) vorgesehen ist. - Pultruder (
23 ) nach einem der Ansprüche 14 bis 16. - Pultruder nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmeinrichtung (
5 ) vor einem Formwerkzeug (15 ) für das Ausgangsmaterial (1 ) vorgesehen ist. - Tapeleger (
21 ) nach einem der Ansprüche 14 bis 16. - Tapeleger nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmeinrichtung (
5 ) im Bereich zwischen Führungsrollen (3 ) und einem gekühlten Anpresswerkzeug für das Ausgangsmaterial (1 ) vorgesehen ist. - Tapewickler (
22 ) nach einem der Ansprüche 14 bis 16. - Tapewickler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufwärmeinrichtung (
5 ) im Bereich zwischen einer Rovingführung (4 ) und einem gekühlten Andruckwerkzeug für das Ausgangsmaterial (1 ) vorgesehen ist.
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