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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils,
insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Im
Leichtbau, insbesondere im Automobilbau werden für tragende
Konstruktionskomponenten zunehmend faserverstärkte Verbundbauteile
eingesetzt. Für den gewichts- und kostenoptimierten Leichtbau
mit Faserverbundbauteilen ist der Einsatz der kostenbestimmenden
Werkstoffe, insbesondere der Faseranteile zu minimieren. Hierfür
wurde vorgeschlagen, dass die Fasern kraftflussgerecht in der Bauteilstruktur
integriert werden, ohne dass ein Faserverschnitt anfällt.
Dies wird durch verschiedene Textiltechniken, wie z. B. Flechten,
Weben, Nähen usw., ermöglicht, die zur Herstellung
von so genannten Faservorformlingen (so genannte Preforms) für endlosfaserverstärkte
Verbundbauteile eingesetzt werden. Diese Verfahren ermöglichen
die Erkenntnisse von Kraftfluss- und Spannungsanalysen in eine entsprechend
textile Verstärkungsstruktur. Bei Verwendung einer Stick-
oder Nähtechnik werden die Verstärkungsfasern
mit einem Stickautomaten entsprechend den Anforderungen aus der
analytischen Bauteilberechnung auf einem Stickgrund fixiert. Nachteilig
an diesem Verfahren ist jedoch, dass nach der Herstellung der Preform
die entsprechende Faserstruktur mit Harz bzw. Kunststoff imprägniert
werden muss. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Verfahrensschritt,
der die Zykluszeiten des Fertigungsprozesses deutlich erhöht.
Bei der Verwendung von duroplastischen Werkstoffen zur Herstellung
der Matrix des Faserverbundbauteils stehen für diese nachträgliche
Imprägnierung der Faserstruktur so genannte Infusionsverfahren,
wie z. B. RTM (Resin Transfer Molding, SRIM (Structural Resin Injection Molding),
oder Vakuuminjektion, zur Verfügung bei der die Kunststoffmatrix
mittels eines Kolbens in ein entsprechendes Formnest des Faserverbundbauteils eingespritzt
wird und unter Wärme und Druck aushärtet. Die
Infusions-Verfahren sind jedoch relativ aufwändig und lassen
nur eine geringe Produktivität aufgrund relativ langer
Produktionszyklen zu. Des Weiteren sind so genannte Prepregs bekannt
mit denen üblicherweise ein endlosfaserverstärktes
duroplastisches Halbzeug bezeichnet wird. Nachteilig an diesen vorimprägnierten
Fasern ist jedoch, dass das entstehende Halbzeug aufgrund seiner
Beschaffenheit nur für geometrisch einfache Strukturen
anwendbar ist und zudem einen sehr hohen Verbrauch an Fasermaterial
bedingen, da immer ein Zuschneiden der Prepregs auf die gewünschte
Kontur bzw. Form des Faserverbundteils erfolgen muss. Dadurch entstehen
entsprechende Faserabfälle, die die Herstellung von Faserverbundbauteilen
unter Verwendung von Prepregs deutlich verteuern.
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Ein
weiterer Nachteil ist, dass z. B. Schalen-Bauteile vollflächig
aus dem teuren Verbundwerkstoff hergestellt werden müssen,
obwohl nur in Teilbereichen strukturelle Eigenschaften benötigt werden.
Das so genannte Tailored Fiber Placement (Verwendung schmaler vorimprägnierter
Bändchen) stellt hierzu eine Weiterentwicklung dar. Die
Einschränkung bezüglich Bauteilgeometrie und Materialeinsatz
gilt jedoch auch hier.
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Um
die oben genannten Nachteile zu umgehen ist in der
US 2004/0119188 A1 ein
Verfahren beschrieben, welches ein vorimprägniertes Endlosfaserbündel
zur Verfügung stellen soll. Hierzu werden zunächst
zwei getrennte Endlosfaserbündel vorbereitet und vorgeformt,
welche dann getrennt mit jeweils einer Komponente eines Matrixharzes
imprägniert werden. Die einzelnen Harzkomponenten sind für
sich genommen nicht reaktiv und aushärtbar. Erst wenn die
beiden getrennten Faserbündel zusammengeführt
und zu einem einzigen Faserbündel geformt werden, bilden
die Harzkomponenten eine reaktive Mischung, welche nach Legen des
Faserbündels in seine gewünschte Form aushärtbar
ist.
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Ein
solches Verfahren erlaubt zwar eine kontinuierliche Imprägnierung
eines Endlosfaserbündels, welche nahezu gleichzeitig mit
seiner Weiterverarbeitung erfolgen kann, insbesondere auch mit duroplastischen
oder elastomeren Matrixharzen. Durch die separate Vorimprägnierung
zweier getrennter Faserbündel ist das Verfahren jedoch
prozesstechnisch und appartiv aufwendig, insbesondere da Vorrichtungen
zum Abrollen der Endlosfasern, Vorrichtungen zu deren Formen zu
einem Faserbündel sowie Vorrichtungen zum Imprägnieren
der Faserbündel jeweils doppelt bereitgestellt werden müssen.
Weiterhin kann, insbesondere bei einer hohen Anzahl von Einzelfasern
(sogenannte Heavy tows) das Formen eines Faserbündels vor
dessen Imprägnierung problematisch sein, da insbesondere
bei der Formung von sehr flachen Bändern die Einzelfasern nicht
beschädigungsfrei aneinander abgleiten können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, welches eine
appartive prozesstechnisch einfache kontinuierliche Imprägnierung
eines Endlosfaserbündels, sowie eine optimierte Formung
eines solchen Faserbündels ermöglicht.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, mittels
welcher ein solches Verfahren durchführbar ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines
Faserverbundbauteils umfasst folgende Schritte:
- a)
Bereitstellen eines Matrixmaterials, insbesondere in Form von Matrixharzen
und/oder Matrixfasern,
- b) Aufbringen des Matrixmaterials auf Verstärkungsfasern,
- c) Zusammenführen der Verstärkungsfasern und des
Matrixmaterials unter Bildung eines Matriximprägnierten
Fasermaterials in unmittelbarer Nähe vor einer Formdüse,
- d) Aufbringen des Fasermaterials durch die Formdüse
auf eine die Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur
zur Herstellung einer Preform, wobei die Anordnung des Fasermaterials
bezogen auf das herzustellende Faserverbundbauteil überwiegend
kraftfluss- und spannungsoptimiert erfolgt und
- e) Aushärten des Matrix-imprägnierten Fasermaterials
unter Bildung eines Faserverbundbauteils.
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Durch
das erfindungsgemäße Zusammenführen von
Verstärkungsfasern und Matrixmaterial welches bevorzugt
in Form von Matrixharzen und/oder Matrixfasern vorliet, kann die
aus dem Stand der Technik bekannte Verdoppelung von Abwickel-, Form-
und Imprägniereinrichtungen vermieden werden. Das Verfahren
ist daher apparativ wesentlich einfacher durchzuführen.
Durch das direkte Aufbringen des Matrixmaterials auf die Verstärkungsfasern,
welche als Endlosfasern bereitgestellt sind und der anschließenden
Verarbeitung dieser Fasern durch Zusammenführen zu einem
imprägnierten Fasermaterial, welches für eine
anschließende textile Verarbeitung zur Verfügung
steht, können endkonturnahe Vorformlinge erzeugt werden,
die anschließend durch eine entsprechende Aushärtung
in ein entsprechendes Faserverbundbauteil umgewandelt werden.
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Beim
Zusammenführen der Verstärkungsfasern und des
Matrixmaterials findet, zumindest bei flüssigem Matrixmaterial
eine weitgehend vollständige Imprägnierung der
Fasern bzw. Faserbündel statt, so dass Lufteinschlüsse
weit gehend verdrängt werden. Als Fasermaterial werden
bevorzugt die verfügbaren Endlosfaser-Bündel oder
Rovings eingesetzt, die typischerweise Filamentzahlen im Bereich
von 12.000 bis 48.000 (12 bis 48 K) aufweisen. Angesichts der hohen
Filamentzahl und dem Ziel eine möglichst vollständige
Imprägnierung bis ins innerste des Bündels zu
erreichen, kommt dem Verfahrensschritt des Zusammenführens
eine besondere Bedeutung zu. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahrensschritt kann ein dichtes Faserbündel zur späteren
Ablage bereitgestellt werden.
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Durch
die unmittelbare zeitliche und räumliche Nähe
zwischen den Prozessschritten des Zusammenführens und Ablegens
des imprägnierten Faserbündels treten keine Veränderungen
des Faser/Matrix-Verhältnisses bzw. der Konsistenz des
Fasermaterials mehr auf.
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In
weiterer Ausgestaltung lässt sich der Prozess des Zusammenführens
auch so gestalten, dass das Matrix/Faserverhältnis lokal
variiert wird. In diesem Prozessschritt lässt sich überschüssiges
Matrixmaterial noch abstreifen und dadurch der Fasergehalt im Fasermaterial
erhöhen. Dies kann beispielsweise für eine lokale
Erhöhung des Verstärkungseffektes im Zielbauteil
genutzt werden.
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Es
ist dabei ganz besonders vorteilhaft, nach dem Verfahrensschritt
c) in einem weiteren Verfahrensschritt c1) das Fasermaterial in
einer Formdüse zu formen. Darunter ist zu verstehen dem
Fasermaterial bzw. imprägnierten Faserbündel eine
spezielle Querschnittsgeometrie mitzugeben. Je nach Anwendungsfall
sind unterschiedliche Fasermaterialgeometrien von Vorteil. Beispielsweise
können breite und flache Faserbündel eingestellt
werden, oder auch dicke und schmale. Da das Aufbringen der gemischten Komponenten
auf die Verstärkungsfasern vor diesem Formungsschritt c1)
durchgeführt wird, ist eine bessere Gleitfähigkeit
der Fasern gegeneinander gewährleistet. Dadurch wird ein
schädigungsarmes Abgleiten der Einzelfasern aneinander
ermöglicht, so dass beispielsweise auch sehr flache Faserbänder mit
guten Festigkeitseigenschaften geformt werden können.
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Beim
Ablegen des Fasernmaterials, beziehungsweise der imprägnierten
Faserbündel zur Preform, erfolgt die Ausrichtung der Fasern
unter gezeilten vorgegebenen Raumrichtungen. Erfindungsgemäß werden
die Fasern bezogen auf den späteren Hauptlastfall des herzustellenden
Faserverbundbauteils, kraftfluss- und spannungsoptimiert ausgerichtet.
Typischerweise wird dabei eine parallele Ausrichtung zu den Hauptkraftlinien
des Verbundbauteils erfolgen. Das erfindungemäße
Verfahren erlaubt es in sehr einfacher Weise maschinengesteuert
auch komplexe Konturen und Richtungsverläufe abzubilden.
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Durch
die Einstellung von variablen Querschnittsgeometrien der Faserbündel
während des Ablegevorgangs mittels der Formdüsen,
ist es insbesondere auch möglich zielgenau Aufdickungen
oder Verflachungen der Abgelegten Strukturen zu generieren; entsprechend
lokal unterschiedlicher Verstärkungsanforderungen des Bauteils.
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Unter
dem Matrixmaterial ist dabei die formbare und aushärtbare
Vorstufe der späteren Matrix des entsprechenden Verbundbauteils
zu verstehen. Hierbei kann es sich um flüssige aushärtbare
Harze oder Kunststoffe handeln. Ebenso sind auch Kunststoffgemische
aus formbaren und härtbaren Anteilen geeignet. Werden Fasern
aus Matrixmaterial (Matrixfasern) verwendet, wirken diese wie die
formbare Vorstufe der späteren Matrix des entsprechenden Verbundbauteils.
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Eine
weiterer Typ an Matrixmaterial sind feste Harze, die beispielsweise
als Feinpulver aufgetragen werden können, oder in Lösung
auf die Faser aufgezogen und getrocknet werden können.
Geeignete Feststoff-Harze sind intermediär schmelzbar, damit
vor deren Aushärtung im Schritt e) eine gleichmäßige
Infiltration der Verstärkungsfasern erfolgen kann. Zu bevorzugten
Harzen zählen hierbei schmelzbare Phenolharze, Urethanpolymere
oder ungesättigte Polyesterharze welche thermisch ausgehärtet
werden.
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Werden
Matrixfasern eingesetzt so erfolgt dies bevorzugt in der Form von
Hybridgarnen aus Verstärkungsfasern Matrixfasern. Die Matrixfasern sind
dabei geeignet bei der Aushärtung im Schritt e) ebenfalls
auszuhärten. Werden die Matrixfasern ohne Harz eingesetzt,
so sind nur intermediär schmelzende Fasertypen geeignet.
Hierbei kann es sich um vorvernetzte Polymerfasern handeln, die thermisch
vollständig aushärten. Werden Matrixfasern und
Harz eingesetzt, können auch nichtschmelzbare Kunststofffasern
eingesetz werden, die dann weiter aushärtbar oder mit dem
Harz vernetzbar sind.
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Da
während der Aushärtung, bzw. dem Aufschmelzen
und Aushärten der Matrixfasern automatisch die Imprägnierung,
bzw. Durchdringung der Verstärkungsfasern und -faserbündel
durch das Matrixmaterial aus Kunststoff erfolgt, kann erfindungsgemäß auf
einen zusätzlichen Imprägnierungsschritt verzichtet
werden.
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Das
Aushärten kann thermisch und/oder photoinitiiert, oder
auch durch Kalthärtung erfolgen.
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Zu
den bevorzugten Aushärteverfahren zählt die thermische
Aushärtung, insbesondere unter äußerem
Druck, da während oder unmittelbar vor der Aushärtung
die Harzviskosität sinkt, beziehungsweise Feststoff-Harze
aufschmelzen und das Harz in die von den Fasern gebildeten Zwischenräume
fließt. Die thermische Härtung wird durch angepasste
Erhitzung durchgeführt, wobei die Matrixfasern und/oder das
Harz vor dem Aushärten unterhalb der Aushärtetemperatur
des Fasermaterials aufschmelzen und bei Erreichen der Aushärtetemperatur
thermisch vernetzen.
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Das
photoninitiierte Aushärten, insbesondere durch UV-Licht,
wird bevorzugt für Fasermaterial mit flüssigen
Harzen angewendet. Gegebenenfalls kann zunächst eine photochemische
Vorvernetzung und hierauf eine thermische Endvernetzung erfolgen.
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Dadurch
ergeben sich verringerte Zykluszeiten des Fertigungsprozesses, so
dass die Kosten für die Herstellung der Faserverbundbauteile
deutlich gesenkt werden können.
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Von
besonderem Vorteil ist es, dass die Verstärkungsfasern
oder -faserbündel zusammen mit der Vorstufe der Matrix
in einem Zustand hervorragender Formbarkeit vorliegen, der sich
neben der Direktablage des aus der Formdüse austretenden
Materials, insbesondere für die anspruchsvollen Strick, Weboder
Knüpfverfahren eignet.
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Die
Verstärkungsfasern- oder -faserbündel bringen
die benötigte Matrix für den zu formenden Verbundkörper
bereits mit. Ein gesonderter Verfahrenschritt einer Harz-Imprägnierung,
wie beispielsweise bei dem RTM-Verfahren erforderlich, entfällt.
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Zudem
erlaubt das erfindungsgemäße Aufbringen des Fasermaterials
ein geometrisch optimiertes Aufbringen des Fasermaterials unter
Vermeidung von Faserabfall und optimaler Faserausnutzung. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist äußerst wirtschaftlich bei der Herstellung
von Leichtbau-Faserverbundkonstruktionen, da durch die endkonturtreuen
Preforms Faserabfall vermieden wird, da das Fasermaterial durch
eine kraftfluss- und spannungsgerechte Anordnung optimal genützt
wird und zudem durch die definierte, fehlerarme Faseranordnung eine
hohe Qualitätskonstanz der hergestellten Faserverbundteile
gewährleistet ist.
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Als
Matrixmaterial kann Harz und Matrixfasern aus der Gruppe der vernetzbaren
duroplastischen und/oder elastomeren Kunststoffe verwendet werden.
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Als
Harz sind insbesondere die thermischen, kalthärtenden oder
UV-härtenden Polyester, Polyurethane, Epoxide, Phenole
oder Vinylester geeignet. Als Polymerblends sind Vinylester-Polyurethan-Blends
besonderes bevorzugt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt im Verfahrensschritt b) ein Aufbringen des Kunststoffs
mittels einer Pulver-, Schmelz- oder Lösungsmittelimprägnierung. Dadurch
ist ein optimales Benetzen der Fasern oder Faserbündel
mit dem Harz gewährleistet. Feststoffharz kann dabei zunächst
in Lösung auf die Verstärkungsfasern oder Rovings
aufgebracht werden und hierauf zu einem gelartigen oder festen Überzug
getrocknet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt im Verfahrensschritt d) das Aufbringen des Fasermaterials durch
ein Ablegen und/oder Weben und/oder Flechten und/oder Sticken und/oder
Nähen auf die Trägerstruktur.
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Die
Trägerstruktur kann dabei zwei- oder dreidimensional ausgebildet
sein, sie kann zudem in einem späteren Verfahrensschritt
von dem Faserverbundteil entfernt werden oder auch an dem Faserverbundbauteil
verbleiben. Die genannten Aufbringtechniken, insbesondere die erwähnte
Nähtechnik bewirkt eine definierte, fehlerarme Faseranordnung
und trägt damit ebenfalls zu einer optimalen Fasermaterialausnutzung
bei einer hohen Qualitätskonstanz bei. Des Weiteren ergibt
sich eine im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich höhere
Designfreiheit.
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Besonders
bevorzugt ist die Trägerstruktur dreidimensional ausgebildet,
insbesondere in Form gewölbter Flächen.
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Beim
Nähen wird in bevorzugter Ausgestaltung keine Verstärkungsfaser
sondern ein Nähfaden aus Baumwoll-, oder Kunststofffasern
verwendet. Der Nähfaden stellt dabei im Wesentlichen lediglich die
feste Fixierung des Fasermaterials auf der Trägerstruktur
sicher. Der Nähfaden kann aus einem schmelzbaren Kunststoff
bestehen, der sich beim thermischen Aushärten auflöst.
Eine weitere Varianz bei der Bildung der Preform durch die oben
genannten Aufbringtechniken ist bei der Verwendung der geometrisch
variablen Formdüsen gegeben.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfasst das Aushärten des Faserverbundmaterials
gemäß Verfahrensschritt e) ein Pressen, die Aufbringung
von äußerem Druck und/oder ein Erwärmen
des Faserverbundmaterials. Dabei können die im Verfahrensschritt
d) hergestellten Preformen in einem vorzugsweise beheizten Werkzeug
gepresst und ausgehärtet werden. Auch die Verwendung von
so genannten Autoklaven oder Mikrowellenvorrichtungen sind in dem Aushärteschritt
denkbar. Die Preform wird im Autoklaven bevorzugt in bekannter Weise
in eine Schutzfolie eingehüllt, um den äußeren
Druck flächig auf das Fasermaterial aufzubringen.
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Insbesonder
in Abhängigkeit vom Matrixtyp kann das Aushärten
entweder integral erfolgen, d. h. erst wenn alle Fasern abgelegt
sind, oder aber auch differentiell, das heißt Faserbündel
wird nach dem Ablegen sofort lokal ausgehärtet.
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Die
integrale Vorgehensweise ist beispielsweise dann besonders günstig,
wenn thermisch härtende Matrixmaterialien verwendet werden
und die fertige Preform als ganzes in einen Härte-Ofen
eingebracht wird.
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Eine
differentielle Aushärtung ist beispielsweise für
UV-härtende Matrixsysteme möglich, indem dem Faser-Ablegekopf
eine UV-Härtelampe nachgeführt wird.
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Bevorzugt
werden als Verstärkungsfasern Glasfasern, Kohlefasern,
Keramikfasern, Metallfasern, Naturfasern oder einem Gemisch von
mindestens zwei dieser Fasermaterialien verwendet. Weitere geeignete
Verstärkungsfasern sind Aramidfasern oder hochmodulige
Polyethylenfasern.
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Die
Trägerstruktur kann beispielsweise aus einem vorvernetzten,
bei Raumtemperatur festen Kunststoff bestehen, wobei der Kunststoff
der Trägerstruktur dem Kunststoff des Matrixmaterials entsprechen
kann. Dadurch ist in vorteilhafter Weise gewährleistet,
dass beim Aushärten des auf die Trägerstruktur
aufgebrachten Fasermaterials der Kunststoff der Trägerstruktur
ebenfalls zur Imprägnierung des Fasermaterials beitragen
kann und im resultierenden Faserverbundbauteil nicht als Fremdmaterialeinschlüsse
wirkt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Trägerstruktur
aus einer vorvernetzten Kunststoffform, welche beim Verfahrensschritt
e) vollständig aushärtet. Der Kunststoff der Trägerstruktur ist
bevorzugt mit dem Matrixmaterial chemisch verwandt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Trägerstruktur aus
einem textilen Material oder einem papierartigen Material, aufgebaut,
das mit einem Harz getränkt ist, welches im Schritt e)
aushärtet. Das ausgehärtete Trägermaterial
verbleibt dabei typischerweise als flächiges und unverstärktes
Flächengebilde im fertigen Bauteil.
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Gegebenenfalls
kann die Trägerstruktur auch nach dem Aushärten
des Fasermaterials in einem weiteren Prozessschritt entfernt werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird beim Aufnähen, – sticken
oder – oder -weben ein Funktionsteil in das Faserverbundbauteil
integriert. Als Funktionsteil können insbesondere metallische Anbindungsteile
für die Befestigung an eine Fahrzeugkarosserie fungieren.
Als weiteres Beispiel können auch Kabel oder Medienleitungen
aufgenäht und in die Faserstruktur integriert werden.
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Die
Erfindung betrifft zudem ein Faserverbundbauteil, insbesondere ein
Faserverbundbauteil für ein Kraftfahrzeug hergestellt nach
einem im vorhergehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahren. Bevorzugte Bauteile sind Verkleidungsteile des Fahrzeuginterieurs.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen eines
Faserverbundbauteils nach dem oben dargestellten Verfahren. Eine
solche Vorrichtung umfasst eine Mischvorrichtung zum Mischen von
zumindest zwei Komponenten eines Matrixmaterials, zumindest eine
Aufbringstation zum Aufbringen der gemischten Komponenten auf Verstärkungsfasern
unter Bildung eines imprägnierten Fasermaterials, zumindest
eine Konfektionierstation zum Aufbringen des Fasermaterials durch
Weben, Sticken, Flechten, Nähen oder dergleichen auf eine die
Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur
zum Herstellen einer Preform, sowie zumindest eine Aushärtestation
zum Aushärten des auf die Trägerstruktur aufgebrachten
Faserverbundmaterials.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist weiterhin
eine Bündelungs- und Faserformungseinrichtung zum Bündeln
und Formen des imprägnierten Fasermaterials vorgesehen.
Anstelle von reinen Verstärkungsfasern können
in einer solchen Vorrichtung auch Hybridgarne aus Verstärkungs-
und Matrixfasern verwendet werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine optimierte
Fasermaterialausnutzung und eine verringerte Zykluszeit des Fertigungsprozesses
zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gewährleistet.
Insbesondere kann durch eine räumliche und zeitliche Trennung
von Aufbringstation, Bündelungs- und Faserformungseinrichtung,
Konfektionierstation und Aushärtestation der Fertigungsablauf
rationell, einfach und schnell gestaltet werden. Durch das Aufbringen
von Matrixmaterial aus Harz auf einzelne Fasern oder Faserbündel
und das entsprechende Aufbringen dieses beschichteten Fasermaterials
in der Konfektionierstation auf die entsprechende Trägerstruktur
und die damit verbundene Herstellung endkonturtreuer Preformen wird
ein Faserverschnitt vermieden, wobei gleichzeitig die einzelnen
Fasern und Faserbündel kraftfluss- und spannungsoptimiert
aufgetragen werden können. Das Harz kann dabei aus der
Gruppe umfassend duroplastische und elastomere Flüssig-
oder Feststoffharze ausgewählt werden.
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In
vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist die Aufbringstation mindestens eine Imprägnierdüse
und/oder mindestens ein Harz- oder Flüssigharzbett auf.
Mittels der Imprägnierdüse kann das Harz in flüssiger
Form oder auch Pulverform auf die Fasern und Faserbündel
aufgetragen werden. In dem Harzbett kann das Material in fester
Form, wie zum Beispiel als Pulver oder einzelnen Fasern enthalten
sein, wobei die zu beschichtenden Fasern und Faserbündel
durch das Harzbett hindurchgeleitet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist die Konfektionierstation mindestens eine Web-
und/oder Stick- und/oder Nähvorrichtung auf. Dabei kann
die Konfektionierstation bzw. die Web- und/oder Stick- und/oder
Nähvorrichtung eine programmierbare Steuerungsvorrichtung
aufweisen, so dass die vorimprägnierten Fasern bzw. Faserbündel
entsprechend den Anforderungen einer im vorhergehenden berechneten
und in der Steuerungsvorrichtung entsprechend abgelegten Bauteilberechnung
auf der Trägerstruktur abgelegt werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist die Aushärtestation mindestens ein druckbeaufschlagbares und/oder
beheizbares Werkzeug, mindestens einen Autoklaven oder mindestens
eine Mikrowellenvorrichtung, IR-Bestrahlungsvorrichtung oder UV-Bestrahlungsvorrichtung
auf. Die genannten Vorrichtungen erlauben das notwendige Aushärten
der Preformen zu den resultierenden Faserverbundbauteilen.
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In
weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung besteht das
Fasermaterial aus Glasfasern, Kohlefasern, bzw. Kohlenstofffasern
oder Carbonfasern, Keramikfasern, Metallfasern, Naturfasern oder
einem Gemisch von mindestens zwei dieser Fasermaterialien.
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Im
Folgenden soll anhand der Zeichnung die Erfindung und ihre bevorzugten
Ausführungsformen näher erläutert werden,
wobei die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung
zum Durchführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt.
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Zur
Erhöhung der Übersichtlichkeit wurde in der Figur
auf die Darstellung der Konfektionierungs- und Aushärtestation
der Vorrichtung 10 verzichtet. Diese Stationen entsprechen
im Wesentlichen dem Stand der Technik, und sind nicht vom erfindungswesentlichen
Gedanken betroffen.
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Die
Figur zeigt eine Abwickelstation 12, welche eine Mehrzahl
von Fasern 14, welche der Übersichtlichkeit halber
nicht alle bezeichnet sind, zur Verfügung stellt.
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Bei
den Fasern 14 kann es sich dabei um reine Verstärkungsfasern
in Form von Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern,
Keramikfasern, Metallfasern und/oder Naturfasern handeln. Es ist
jedoch auch möglich, Hybridfasern aus einem Gemisch von
solchen Verstärkungsfasern mit vernetzbaren oder aufschmelzbaren
Matrixfasern zu verwenden.
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Die
Fasern 14 werden von einer Mehrzahl von Spulen 16 abgewickelt
und der Aufbringstation 18 zugeführt. Diese umfasst
ein trichterförmig sich verjüngendes Gehäuse 20 in
welchem die Fasern 14 über einen ersten Führungssteg 22 zu
einem Harzverteiler 24 geleitet werden. Der Harzverteiler 24 ist dabei über
eine Leitung 26 mit der Mischvorrichtung 28 verbunden.
In dieser Mischvorrichtung 28 sind Vorratsbehälter 30 für
verschiedene Komponenten des verwendeten Matrixmaterials vorgesehen. Über Leitungen 32 sind
diese Vorratsbehälter 30 mit einer Mischkammer 34 verbunden,
in welcher die Komponenten des Matrixmaterials gemischt werden und
anschließend in die Leitung 26 und zum Harzverteiler 24 weitergeleitet
werden.
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Im
Bereich der Leitungen 32, 26, sowie der Mischkammer 34 können
selbstverständlich noch weitere Regel- und Dosiervorrichtungen
vorgesehen sein, welche hier nicht gezeigt werden.
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Die
in den Vorratsbehältern 30 gelagerten Komponenten
des Matrixmaterials sind für sich allein genommen nicht
reaktiv und nicht aushärtbar, erst nach ihrer Mischung
in der Mischkammer 34 erlangt das Matrixmaterial seine
gewünschte Aushärtbarkeit. Über den Harzverteiler 24 wird
dieses nun aushärtbare Matrixmaterial auf die Fasern 14 aufgetragen.
Die Fasern 14 werden weiter durch einen sich verjüngenden
Bereich 36 der Aufbringstation 18 zusammengeführt,
bis sie in Form eines Faserbündels in die Bündelungs-
und Faserformungseinrichtung 38 einlaufen. Die Einzelfasern 14 werden
dort zu einem kompakten Faserbündel 40 zusammengefasst,
dessen Eigenschaften beispielsweise durch Umlenkrollen 42 weiter
beeinflusst werden können. In der Bündelungs-
und Faserformungseinrichtung können weiterhin Heizeinrichtungen
oder andere Vorrichtungen zur Energieeinkopplung beispielsweise
durch UV-Strahlung, Laserstrahlung oder Ultraschalleinkopplung vorhanden
sein, welche die Komponenten des Matrixmaterials zu einer ersten
Reaktion bringen, um so beispielsweise eine Vorvernetzung des Matrixmaterials
zu erreichen.
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In
einer gegebenenfalls formverstellbaren oder wechselbaren Formdüse 44 erhält
das Faserbündel schließlich seine endgültige
Form, hier im Beispiel als flaches Faserband 46. In bevorzugter
Ausgestaltung ist die Geometrie der Formdüse während des
Ablegevorgangs verstellbar ausgestaltet. Dieses Faserband 46 kann
nun direkt einer Konfektionierstation, welche hier nicht gezeigt
ist, zugeführt werden, wo dieses Faserband durch Weben,
Sticken, Flechten, Nähen oder dergleichen auf eine Trägerstruktur aufgebracht
werden und anschließend ausgehärtet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2004/0119188
A1 [0004]