DE102008026161A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteiles, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bei welchem zumindest zwei Komponenten eines Matrixmaterials gemischt und auf Verstärkungsfasern (14) aufgebracht wird, wobei diese Verstärkungsfasern (14) in der Folge unter Bildung eines imprägnierten Fasermaterials zusammengeführt und auf eine die Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur aufgebracht werden. Im abschließenden Verfahrensschritt wird das aufgebrachte Fasermaterial (40, 46) schließlich unter Bildung des Faserverbundbauteiles ausgehärtet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (10) zum Durchführen dieses Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, mittels welcher ein solches Verfahren durchführbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Aushärten kann thermisch und/oder photoinitiiert, oder auch durch Kalthärtung erfolgen.
  • 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.
  • 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.
  • Dadurch ergeben sich verringerte Zykluszeiten des Fertigungsprozesses, so dass die Kosten für die Herstellung der Faserverbundbauteile deutlich gesenkt werden können.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als Matrixmaterial kann Harz und Matrixfasern aus der Gruppe der vernetzbaren duroplastischen und/oder elastomeren Kunststoffe verwendet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Besonders bevorzugt ist die Trägerstruktur dreidimensional ausgebildet, insbesondere in Form gewölbter Flächen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine differentielle Aushärtung ist beispielsweise für UV-härtende Matrixsysteme möglich, indem dem Faser-Ablegekopf eine UV-Härtelampe nachgeführt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gegebenenfalls kann die Trägerstruktur auch nach dem Aushärten des Fasermaterials in einem weiteren Prozessschritt entfernt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Figur zeigt eine Abwickelstation 12, welche eine Mehrzahl von Fasern 14, welche der Übersichtlichkeit halber nicht alle bezeichnet sind, zur Verfügung stellt.
  • 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.
  • 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.
  • Im Bereich der Leitungen 32, 26, sowie der Mischkammer 34 können selbstverständlich noch weitere Regel- und Dosiervorrichtungen vorgesehen sein, welche hier nicht gezeigt werden.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 2004/0119188 A1 [0004]

Claims (28)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Matrixmaterials, insbesondere in Form von Matrixharzen und/oder Matrixfasern, b) Aufbringen des Matrixmaterials auf Verstärkungsfasern (14), f) Zusammenführen der Verstärkungsfasern (14) und des Matrixmaterials unter Bildung eines imprägnierten Fasermaterials (40, 46) in unmittelbarer Nähe vor einer Formdüse (44), c) Aufbringen des Fasermaterials (40, 46) durch die Formdüse (44) auf eine die Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur zur Herstellung einer Preform, wobei die Anordnung des Fasermaterials bezogen auf das herzustellende Faserverbundbauteil, kraftfluss- und spannungsoptimiert erfolgt und d) Aushärten des Matrix-imprägnierten Fasermaterials (40, 46) unter Bildung eines Faserverbundbauteils.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Verfahrensschritt c) in einem Verfahrensschritt c1) das Fasermaterial (40, 46) in einer Formdüse (44) geformt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Matrixfasern aus vernetzbaren Kunststofffasern verwendet werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten thermisch und/oder photoinitiiert und/oder durch Ultraschalleinkopplung, oder durch Kalthärtung erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten erst nach der Ausbildung der gesamten Preform integral erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten unmittelbar nach der Faserablage differentiell erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Härtung durch Erhitzung durchgeführt wird, wobei die Matrixfasern und/oder das Harz vor dem Aushärten unterhalb der Aushärtetemperatur des Fasermaterials (40, 46) aufschmelzen und bei der Aushärtetemperatur thermisch vernetzen.
  8. Verfahren nach Anspruch einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixmaterial Matrixharz oder Matrixfasern aus der Gruppe der vernetzbaren duroplastischen und/oder elastomeren Kunststoffe verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixharz aus der Gruppe der thermischen, kalthärtenden oder UV-härtenden Polyester, Polyurethane, Epoxide, Phenole oder Vinylester, insbesondere Vinylester-Polyurethan-Blends ausgewählt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) ein Aufbringen der gemischten Komponenten mittels einer Pulver-, Schmelz- oder Lösungsmittelimprägnierung erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Fasermaterials (40, 46) gemäß Verfahrensschritt d) durch ein Ablegen und/oder mittels Weben und/oder mittels Flechten und/oder mittels Sticken und/oder mittels Nähen auf die Trägerstruktur erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Nähen als Nähfaden Baumwoll-, oder Kunststofffasern verwendet werden.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur zwei- oder dreidimensional ausgebildet ist.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten gemäß Verfahrensschritt e) das Anlegen von äußerem Druck, das Pressen und/oder das Erwärmen des Fasermaterials umfasst.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zusammenführen von Verstärkungsfasern und Matrixmaterial das Matrix/Faserverhältnis lokal variiert wird, indem überschüssiges Matrixmaterial abgestreift wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur aus einer vorvernetzten Kunststoffform besteht, welche beim Verfahrensschritt e) vollständig aushärtet.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Trägerstruktur dem Matrixmaterial entspricht oder mit diesem chemisch verwandt ist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur aus einem textilen Material oder einem papierartigen Material, besteht, das mit einem Harz getränkt wird, welches im Schritt e) ausgehärtet wird.
  19. Faserverbundbauteil, insbesondere Faserverbundbauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
  20. Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch: – eine Mischvorrichtung (28) zum Mischen von zumindest zwei Komponenten eines Matrixmaterials, – zumindest eine Aufbringstation (18) zum Aufbringen der gemischten Komponenten auf Verstärkungsfasern (14) unter Bildung eines imprägnierten Fasermaterials (40, 46), – zumindest eine Konfektionierstation zum Aufbringen des Fasermaterials (40, 46) durch Weben, Sticken, Flechten, Nähen oder dgl. auf eine die Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur zum Herstellen einer Preform, – und zumindest eine Aushärtestation zum Aushärten des auf die Trägerstruktur aufgebrachten Faserverbundmaterials aufweist.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bündelungs- und Faserformungseinrichtung (38) zum Bündeln und Formen des imprägnierten Fasermaterials vorgesehen ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringstation (18) mindestens eine Imprägnierdüse (24) und/oder mindestens ein Kunststoffbett aufweist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 oder 22 unter Rückbezug auf Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündelungs- und Faserformungseinrichtung (38) eine Vorrichtung zum Vorwärmen des Fasermaterials umfasst.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfektionierstation mindestens eine Web- und/oder Stick- und/oder Nähvorrichtung aufweist.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Web- und/oder Stick- und/oder Nähvorrichtung eine programmierbare Steuerungsvorrichtung aufweist.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtevorrichtung mindestens ein druckbeaufschlagbares und/oder beheizbares Werkzeug aufweist.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtevorrichtung mindestens einen Autoklaven oder Ofen aufweist.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushärtevorrichtung mindestens eine Mikrowellenvorrichtung eine IR-Bestrahlungsvorrichtung oder eine UV-Bestrahlungsvorrichtung aufweist.
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