DE102010012719A1

DE102010012719A1 - Legekopfkompaktvorrichtung, Legeanlage und Verfahren zur Herstellung einer Preform

Info

Publication number: DE102010012719A1
Application number: DE102010012719A
Authority: DE
Inventors: Willy Dauner; Dipl.-Ing. Salkic Asmir
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-09-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Legekopfkompaktvorrichtung (10) zum Ablegen von imprägnierten Endlosfaserbändern bereit, die in einem gemeinsamen Gehäuse (6) eine Zuführeinrichtung (1) zumindest für ein Endlosfaserband (4'), stromabwärts hiervon eine Imprägniereinrichtung (2) und stromabwärts der Imprägniereinrichtung (2) eine Legeeinrichtung (3) umfasst. Ferner werden eine Legeanlage und ein Verfahren zur Herstellung einer Preform aus abgelegten imprägnierten Endlosfaserbändern unter Verwendung der Legekopfkompaktvorrichtung (10) offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft eine Legekopfkompaktvorrichtung zum Ablegen von imprägnierten Endlosfaserbändern, sowie eine Legeanlage, die die Legekopfkompaktvorrichtung umfasst und mit der eine Preform aus abgelegten imprägnierten Endlosfaserbändern hergestellt werden kann. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer Preform aus abgelegten imprägnierten Endlosfaserbändern offenbart.
Es ist bekannt, Faserbänder zur Bildung einer Preform direkt abzulegen und nähtechnisch zu fixieren. In sogenannten Fiber Placement werden einzelne Fasern trocken und ohne Imprägnierung direkt abgelegt, dabei allerdings mit einem Binder, etwa einem Klebstoff, stabilisiert. Es existieren auch Anlagen, mittels derer vorimprägnierte Faserbänder, sogenannte Prepregs, definiert abgelegt werden können.
Aus der DE 10 2007 054 087 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils und eine dafür geeignete Vorrichtung bekannt, wobei von einer Aufbringstation Matrixmaterial aus einem Harz/oder Matrixfasern auf Verstärkungsfasern oder Faserbündel aufgebracht wird, das dann in eine Konfektionierstation gebracht wird, in der das Fasermaterial durch Weben, Sticken, Flechten oder Nähen auf eine Trägerstruktur zur Herstellung einer Preform aufgebracht wird. Die Fertigstellung des Faserverbundbauteils folgt dann in einer Aushärtestation, in der das auf das Trägermaterial aufgebrachte Fasermaterial aus Verstärkungsfasern und Matrixmaterial aushärten gelassen wird. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung sollen eine optimierte Fasermaterialausnutzung und verringerte Zykluszeiten des Fertigungsprozesses gewährleistet sein. Vorzugsweise werden die Aufbringstation, Konfektionierstation und Aushärtestation räumlich und zeitlich getrennt, um den Fertigungsablauf rational, einfach und schnell zu gestalten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine kleine, kompakte Legekopfvorrichtung bereitzustellen, die sich zur Integration in eine progammgesteuerte Legeanlage mit Roboterarmen eignet, und in der sämtliche Verfahrensschritte ausgeführt werden können, von der Zufuhr von Fasern und Matrixmaterial bis hin zum Spreizen und Fixieren der Fasern in einem einzigen Prozessschritt.
Diese Aufgabe wird durch eine Legekopfkompaktvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung einer Legeanlage, die eine solche Legekopfkompaktvorrichtung umfasst, und mit der ein endlosfaserverstärktes, endkonturgetreues und belastungsgerechtes Bauteil kostengünstig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Legeanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Die Aufgabe der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Preform aus imprägnierten Endlosfaserbändern, die eine Zykluszeitreduzierung ermöglicht, wird mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Weiterbildungen der jeweiligen Gegenstände sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Legekopfkompaktvorrichtung, mit der imprägnierte Endlosfaserbänder abgelegt werden können. Dazu weist die Legekopfkompaktvorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse eine Zuführeinrichtung, eine Imprägniereinrichtung und eine Legeeinrichtung auf. Die Zuführeinrichtung dient der Zufuhr zumindest für ein Endlosfaserverband, das dann stromabwärts durch die Imprägniereinrichtung und die Legeeinrichtung geführt wird, wobei in der Imprägniereinrichtung das Endlosfaserband mit einem geeigneten Matrixmaterial imprägniert wird und die Legeeinrichtung das imprägnierte Endlosfaserband ablegt.
Die Legekopfkompaktvorrichtung stellt somit ein mit Matrixmaterial getränktes Faserband bereit, das endkonturgetreu und belastungsgerecht abgelegt werden kann. Der Verschnitt bei der Herstellung einer Preform kann deutlich reduziert werden, wodurch Kosten eingespart werden. Weiteres Kosteneinsparungspotenzial liegt in der schnellen Faserstabilisierung, die keine nähtechnische Fixierung erforderlich macht, woraus auch ein höherer Ausnutzungsgrad der Fasereigenschaften resultiert, da keine Faserschädigungen durch Nähfäden oder ähnliches auftreten.
Geeignete Endlosfaserbänder umfassen Verstärkungsfasern, bei denen es sich hauptsächlich um Glas-, Carbon- und/oder Aramidfasern handelt. Denkbar ist allerdings auch, dass die Endlosfaserbänder durch eine Hybridgarnanordnung bereitgestellt werden, die neben Verstärkungsfasern auch Fasern aus einem Matrixmaterial umfassen, das insbesondere ein thermoplastisches Matrixmaterial sein kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Legekopfkompaktvorrichtung eine Zuführvorrichtung für Matrixmaterial aufweist, was ein festes oder flüssiges Matrixmaterial sein kann, gegebenenfalls liegen mehrere Zuführvorrichtungen für mehrere Matrixmaterialien vor. Die Matrixmaterialzufuhr erfolgt stromaufwärts der Imprägniereinrichtung an der Zuführeinrichtung für das Endlosfaserband und ist ebenfalls in dem gemeinsamen Gehäuse der Legekopfkompaktvorrichtung angeordnet. Dabei kann das Matrixmaterial dem Endlosfaserband ein- oder beidseitig hinzugeführt werden.
Die Imprägniereinrichtung umfasst generell Mittel zum Druckausüben, etwa eine Walzenanordnung, mittels derer das Matrixmaterial zwischen und in die Fasern gepresst wird. Die Imprägniereinrichtung kann ferner eine Heizvorrichtung umfassen.
Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Legeanlage, mit der eine Preform aus abgelegten, imprägnierten Endlosfaserbändern hergestellt werden kann, gestattet die schnelle Faserplatzierung endkonturgetreu und belastungsgerecht, wobei auch direkte dreidimensionale Konturen hergestellt werden können, was eine hohe Designfreiheit ermöglicht. Dazu weist die Legeanlage neben einer erfindungsgemäßen Legekopfkompaktvorrichtung eine Datenverarbeitungseinheit und einen Roboter auf, der von der Datenverarbeitungseinheit bewegungsgesteuert wird. Die Legekopfkompaktvorrichtung ist über ihr Gehäuse mit dem Roboterarm verbunden und kann somit über eine Trägeroberfläche, auf der die Preform abgelegt wird, rechnergesteuert bewegt werden.
Dazu liegt in der Datenverarbeitungseinheit ein Programm oder ein Programmprodukt zur Steuerung des Roboterarms vor, damit dieser eine Legevorschrift zum Legen der imprägnierten Endlosfaserbänder ausführen kann um eine Preform zu fertigen. So kann die Legekopfkompaktvorrichtung mittels des Roboterarms derart bewegt werden, dass die von ihr bereitgestellten imprägnierten Endlosfaserbänder entsprechend der Gestaltung der Preform abgelegt werden können.
Vorteilhaft kann die Legeanlage ein die Preform ausbildendes Trägerstrukturwerkzeug umfassen, auf dem die imprägnierten Endlosfaserbänder abgelegt werden.
Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Preform aus abgelegten, imprägnierten Endlosfaserbändern unter Verwendung einer solchen Legeanlage umfasst daher das Bereitstellen eines Programms oder eines Programmproduktes zur Bewegungssteuerung des Roboterarms in der Datenverarbeitungseinheit, um die Legevorschrift zum Legen der imprägnierten Endlosfaserbänder zum Fertigen der Preform auszuführen. An dem Roboterarm ist das erfindungsgemäße Gehäuse der Legekopfkompaktvorrichtung angeordnet. So erfolgt das Bewegen der Legekopfkompaktvorrichtung an dem Roboterarm gemäß der Legevorschrift und entsprechend das Bereitstellen der imprägnierten Endlosfaserbänder durch die Legekopfkompaktvorrichtung; gefolgt vom Ablegen der imprägnierten Endlosfaserbänder und Ausbilden der Preform.
Das Imprägnieren der Endlosfaserbänder kann dabei dem Endlosfaserband ein- oder beidseitiges Zuführen von einem oder mehreren Matrixmaterialen umfassen, wobei es sich bei dem Matrixmaterial sowohl um ein festes als auch um ein flüssiges Matrixmaterial oder Kombinationen aus beidem handeln kann.
Während des Imprägnierens wird Druck auf das Endlosfaserband mit dem zugeführten Matrixmaterial ausgeübt, zusätzlich kann erhitzt werden.
Mit diesem Verfahren ist eine Zykluszeitreduzierung zur Herstellung der Preform möglich, da die Imprägnierung der Verstärkungsfasern in den Legeprozess integriert ist. Es ist kein separates Durchtränken der Fasern in formbildendes Werkzeug notwendig, so können Infusionsvorrichtungen wie etwa beim RTM-Prozess, oder VAP-Prozess etc. entfallen. Vorteilhaft kann durch die um die Imprägniereinrichtung erweiterte Legekopfkompaktvorrichtung eine Lunkerbildung im imprägnierten Faserband verringert werden.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt.
Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die einzige Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt eine skizzierte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legekopfkompaktvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Legekopfkompaktvorrichtung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eine Imprägniervorrichtung in eine Faserlagekopfvorrichtung integriert, die wiederum so klein ausgestaltet ist, dass sie robotisch über die Oberfläche eines Trägerstrukturwerkzeugs geführt werden kann, das die Form der zu bildenden Preform aufweist. So kann eine entsprechend gestaltete Legeanlage das imprägnierte Faserband kraftfluss- und spannungsoptimiert und damit belastungsgerecht, aber auch endkonturgetreu ablegen, wobei das Trägerstrukturwerkzeug auch dreidimensional geformt sein kann.
Für den Fall, dass eine Preform mittels der erfindungsgemäßen Legekopfkompaktvorrichtung 10, die in 1 skizziert ist, nicht dreidimensional abgelegt wurde, kann in einem nachträglichen Schritt in einem strukturbildenden Werkzeug eine entsprechende Umformung erfolgen, bevor die so imprägnierte Preform unter Temperaturzufuhr und/oder Druck ausgehärtet wird. So wird der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen kombinierten beziehungsweise integrierten Imprägnier- und Legeeinrichtung aus 1 ersichtlich, in der der kompakte Legekopf 10 beispielhaft dargestellt ist.
Er weist in einem Gehäuse 6 eine Zuführeinrichtung 1 und stromabwärts von diesem die Imprägniereinrichtung 2 und am Ausgang des Gehäuses 6 die Legeeinrichtung 3 auf. In der Zuführeinrichtung 1 erfolgt das Zuführen eines Endlosfaserbands 4, in der beispielsweise Verstärkungsfasern geordnet zugeführt werden können. Hierbei erfolgt zusätzlich noch das beidseitige Zuführen eines ebenfalls bänderförmigen Matrixmaterials 5, wobei es sich ebenfalls um Fasern, etwa aus einem thermoplastischen Kunststoff, handeln kann.
Alternativ dazu, figurativ allerdings nicht dargestellt, kann beispielsweise auch ein Hybridfaserverband zugeführt werden, bei dem Verstärkungsfasern und Fasern aus einem Matrixmaterial in einer Faseranordnung oder auch als Gewebe zugeführt werden, wobei es sich hier insbesondere um ein thermoplastisches Matrixmaterial handeln kann, so dass in der nachfolgenden Imprägniereinrichtung 2, wie sie in 1 gezeigt ist, kein zusätzliches Matrixmaterial mehr erforderlich ist.
Generell ist hier die Zufuhr von Matrixharz und Fasern vorgesehen, gegebenenfalls können aber auch andere Komponenten sowohl in fester als auch in flüssiger Form mit dem Endlosfaserband zusammengebracht werden. Wird beispielsweise ein duroplastisches Harz zur Ausbildung der Matrix verwendet, so können auch Düsen als Zuführvorrichtung für das Matrixmaterial vorgesehen sein, die die Endlosfaserbahn bespritzen.
In der sich anschließenden Imprägniereinrichtung 2 erfolgt eine innige Durchtränkung der Fasern mit dem Matrixmaterial, wobei in 1 eine Anordnung mit Walzen 7, 7'' verwendet wird, zwischen denen die Endlosfaserbahn 4' zwischen den beidseitig zugeführten Matrixmaterialen 5 zusammengedrückt wird, um neben der Faserdurchtränkung gleichzeitig auch Luft zu verdrängen, so dass gut imprägnierte Fasern mit hohem Faservolumengehalt und geringer Lunkerbildung erhalten werden.
Für den Fall, dass als Matrixmaterial etwa thermoplastische Kunststofffasern verwendet werden, muss zusätzlich zu der Druckausübung eine Temperaturbeaufschlagung erfolgen, wobei eine Temperatur erreicht werden muss, die in einem Bereich zwischen der Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs und der Schmelztemperatur liegt. So kann auch in diesem Fall eine gute Faserdurchtränkung erreicht werden, die der später aus dem Faserband hergestellten Preform nach der Aushärtung eine gute Verbundhaftung des Bauteils ermöglicht.
Durch die Legeeinrichtung 3, die zu diesem Zweck ein Umlenkwälzelement 8 aufweist, wird das imprägnierte Faserband 4 endkonturgetreu, belastungsgerecht, verschnittfrei und gespreizt zur Ausbildung der Preform abgelegt, woraufhin sich gegebenenfalls ein Umformschritt in einem Trägerstrukturwerkzeug anschließt, falls nicht dreidimensional abgelegt wurde. Andernfalls kann nun das Aushärten des Matrixmaterials unter Druck unter Temperaturbeaufschlagung in dem entsprechenden Werkzeug erfolgen, so dass das fertige Bauteil nahezu verschnittfrei, schnell und einfach ohne Nähtechnologie bereitgestellt werden kann.
Die so mittels der Legekopfkompaktvorrichtung, beziehungsweise der Legeanlage hergestellten Preformen bilden nach Aushärtung endlosverstärkte Faserverbundkunststoffbauteile, die sich zur Verwendung in der Kraftfahrzeugherstellung eignen und ein hohes Leichtbaupotenzial bei guten mechanischen Eigenschaften verbinden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007054087 A1 [0003]

Claims

Legekopfkompaktvorrichtung (10) zum Ablegen von imprägnierten Endlosfaserbändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Legekopfkompaktvorrichtung (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (6) eine Zuführeinrichtung (1) zumindest für ein Endlosfaserband (4'), stromabwärts hiervon eine Imprägniereinrichtung (2) und stromabwärts der Imprägniereinrichtung (2) eine Legeeinrichtung (3) umfasst.
Legekopfkompaktvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfaserbänder (4') aus Verstärkungsfasern, insbesondere aus Glas-, Carbon- und/oder Aramidfasern bestehen oder dass die Endlosfaserbänder (4') Hybridfaserbänder sind, umfassend Verstärkungsfasern und Fasern aus einem Matrixmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Matrixmaterial.
Legekopfkompaktvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführvorrichtung für ein oder mehrere Matrixmaterialien (5), insbesondere für ein festes oder flüssiges Matrixmaterial oder eine Kombination aus beidem stromaufwärts der Imprägniereinrichtung (2) an der Zuführeinrichtung (1) für das Endlosfaserband (4') in dem Gehäuse (6) angeordnet ist, wobei dem Endlosfaserband (4') ein ein- oder beidseitiges Zuführen des Matrixmaterials (5) bereitgestellt wird.
Legekopfkompaktvorrichtung (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniereinrichtung (2) – Mittel zur Druckbereitstellung oder – Mittel zur Druckbereitstellung und eine Heizvorrichtung umfasst, wobei die Mittel zur Druckbereitstellung Walzen (7, 7') umfassen.
Legeanlage zur Herstellung einer Preform aus abgelegten imprägnierten Endlosfaserbändern, dadurch gekennzeichnet, dass die Legeanlage – eine Legekopfkompaktvorrichtung (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4 und – eine operativ mit einem bewegungsgesteuerten Roboterarm gekoppelte Datenverarbeitungseinheit, wobei an dem Roboterarm das Gehäuse (6) der Legekopfkompaktvorrichtung (10) angeordnet ist, und wobei die Datenverarbeitungseinheit ein Programm oder ein Programmprodukt zur Steuerung des Roboterarms zum Ausführen einer Legevorschrift zum Legen der imprägnierten Endlosfaserbänder (4) um eine Preform zu fertigen, aufweist.
Legeanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legeanlage ein die Preform ausbildendes Trägerstrukturwerkzeug umfasst, auf dem die imprägnierten Endlosfaserbänder (4) abgelegt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Preform aus abgelegten imprägnierten Endlosfaserbändern unter Verwendung einer Legeanlage nach Anspruch 5 oder 6, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Programms oder eines Programmproduktes zur Bewegungssteuerung des Roboterarms in der Datenverarbeitungseinheit, um die Legevorschrift zum Legen der imprägnierten Endlosfaserbänder (4) zum Fertigen der Preform auszuführen, wobei an dem Roboterarm das Gehäuse (6) der Legekopfkompaktvorrichtung (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4 angeordnet ist, – Bewegen der Legekopfkompaktvorrichtung (10) an dem Roboterarm gemäß der Legevorschrift und Bereitstellen der imprägnierten Endlosfaserbänder (4) durch die Legekopfkompaktvorrichtung (10) und – Ablegen der imprägnierten Endlosfaserbänder (4) und Ausbilden der Preform.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bereitstellen der imprägnierten Endlosfaserbänder (4) durch die Legekopfkompaktvorrichtung (10) die Schritte umfasst – Zuführen eines Endlosfaserbands (4') und – Imprägnieren des Endlosfaserbands (4') mit Matrixmaterial.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, umfassend den Schritt – vor dem Imprägnieren dem Endlosfaserband (4') ein- oder beidseitiges Zuführen eines oder mehrerer Matrixmaterialien (5), insbesondere eines festen oder flüssigen Matrixmaterials oder einer Kombination aus beidem.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, umfassend den Schritt – während des Imprägnierens Druck und/oder Wärme Aufbringen auf das imprägnierte Endlosfaserband (4').