DE102010023044A1

DE102010023044A1 - Verfahren und Legevorrichtung zum Herstellen eines Faservorformlings

Info

Publication number: DE102010023044A1
Application number: DE102010023044A
Authority: DE
Inventors: Christian Dr. Dipl.-Ing. Eberdt
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faservorformlings für ein Faserverbundbauteil, bei welchem Faserbündel (12) aus Carbonfasern mittels einer Legeeinrichtung (10) entlang einer vorgegebenen Raumkurve auf ein Trägermaterial (16) abgelegt und an diesem durch thermische Aktivierung eines thermoplastischen Bindermaterials fixiert werden, wobei die thermische Aktivierung durch induktives Aufheizen der abgelegten Carbonfaserbündel (12) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faservorformlings nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Legevorrichtung zum Herstellen eines Faservorformlings nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
Beim Herstellen komplexer Faserverbundbauteile wird zunächst ein Fasergerüst für das Verbundbauteil entlang einer gewünschten Geometrie auf einen Träger abgelegt. Die Geometrie entspricht dabei oft den zu erwartenden Kraftflusslinien im fertigen Bauteil. Bei diesem sogenannten TFP-Verfahren (Tailored Fiber Placement) müssen die Fasern, meist Carbonfaserrovings, auf den Trägermaterial fixiert werden. Hierzu werden üblicherweise thermoplastische Bindematerialien eingesetzt, die thermisch aktiviert werden, um die Rovings auf dem Träger zu befestigen. Oft handelt es sich dabei um Fixierfäden, mittels welcher die Rovings auf dem Träger aufgenäht werden. Weiterhin ist eine vorgelagerte Bebinderung und Spreizung des Faserrovings möglich. Durch das Aufschmelzen der Bindermaterialien werden die Fasern bzw. das Trägermaterial durch das Bindermaterial benetzt und nach der Erstarrung bzw. Reaktion dadurch die gewünschte Fixierung erreicht. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 1 907 195 1 bekannt.
Während solche Verfahren eine präzise Platzierung der Fasern ermöglichen ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit relativ gering, da üblicherweise konduktive Heizverfahren, wie beispielsweise elektrische Heizschuhe oder Gasbrenner Anwendung finden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Legevorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 bereitzustellen, welches eine besonders schnelle und präzise Herstellung von Faservorformlinge für Faserverbundbauteile ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Legevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
Bei einem derartigen Verfahren zum Herstellen eines Faservorformlings für ein Faserverbundbauteil werden Faserbündel aus Carbonfasern mittels einer Legeeinrichtung entlang einer vorgegebenen Raumkurve auf ein Trägermaterial gelegt und an diesem durch thermische Aktivierung eines thermoplastischen Bindermaterials fixiert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die thermische Aktivierung durch induktives Aufheizen der abgelegten Carbonfaserbündel erfolgt. Dies ist möglich, da die Carbonfaserbündel selbst elektrisch leitfähig sind. Durch die direkte induktive Erwärmung der Carbonfaserbündel wird das Bindermaterial ebenfalls aufgeheizt und aufgeschmolzen und verbindet durch die Erstarrung bzw. chemische Reaktion die Carbonfaserbündel mit dem Trägermaterial. Durch die induktive Aufheizung lassen sich besonders hohe Aufheizgeschwindigkeiten und damit hohe Ablegegeschwindigkeiten der Legeeinrichtung realisieren.
Vorzugsweise wird eine Induktionsvorrichtung zum induktiven Aufheizen zusammen mit einem Legekopf der Legeeinrichtung entlang der vorgegebenen Raumkurve geführt. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird also das Bindermaterial der Carbonfaserbündel unmittelbar nach ihrem Ablegen auf dem Trägermaterial durch die Induktionsvorrichtung aktiviert, so dass die Carbonfaserbündel unmittelbar nach dem Ablegen lokal an das Trägermaterial gebunden werden. Damit können besonders präzise Faserstrukturen besonders prozesssicher abgelegt und sofort fixiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nach dem thermischen Aktivieren die fixierten Faserbündel mittels einer Kühleinrichtung gekühlt. Durch eine solche Kühleinrichtung wird die Erstarrung des Bindermaterials und damit die endgültige Fixierung der Faserbündel beschleunigt, so dass durch diese Maßnahme die Ablagegeschwindigkeit weiter erhöht werden kann.
Hier ist es zweckmäßig, eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der fixierten Faserbündel zusammen mit dem Legekopf der Legeeinrichtung entlang der vorgegebenen Raumkurve zu führen oder die Grundplatte, auf der das Trägermaterial aufgespannt ist, flächig zu kühlen. Unmittelbar nach dem thermischen Aktivieren des Bindermaterials und der Herstellung der Bindung zwischen dem Carbonfaserbündel und dem Trägermaterial wird durch die ebenfalls zusammen mit dem Legekopf mitgeführte Kühleinrichtung für eine Erstarrung des Bindermaterials und damit für die endgültige Fixierung des Faserbündels auf dem Trägermaterial gesorgt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Legevorrichtung zum Herstellen eines Faservorformlings für ein Faserverbundbauteil. Eine solche Legevorrichtung umfasst einen Legekopf, mittels welchem ein Faserbündel aus Carbonfasern entlang einer vorgegebenen Raumkurve auf ein Trägermaterial ablegbar ist, sowie eine Heizvorrichtung zum Aktivieren eines thermoplastischen Bindermaterials zum Fixieren des Faserbündels auf dem Trägermaterial. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung als Induktionsvorrichtung zum Induzieren eines Stroms in dem Carbonfaserbündel ausgebildet ist. Durch den so induzierten Strom erwärmt sich das Carbonfaserbündel aufgrund seines Widerstands, so dass durch die entstehende Wärme das thermoplastische Bindermaterial aufgeschmolzen und aktiviert wird, und sich das Carbonfaserbündel fest mit dem Trägermaterial verbindet. Durch die induktive Heizung kann ein besonders schnelles Aktivieren des Bindermaterials und damit ein besonders prozesssicheres Ablegen des Faserbündels auf dem Trägermaterial sichergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heizvorrichtung zusammen mit dem Legekopf entlag der vorgegebenen Raumkurve bewegbar. Durch eine derartige Legevorrichtung kann die Aktivierung des Bindermaterials des Carbonfaserbündels unmittelbar nach dem Ablegen lokal erfolgen, so dass Verschiebungen oder dergleichen des Faserbündels nicht mehr möglich sind. Hierdurch wird eine besonders prozesssichere Lage des Faserbündels sichergestellt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des fixierten Faserbündels vorgesehen. Über eine solche Kühlvorrichtung kann nach Aktivieren des Bindermaterials das aufgeschmolzene Bindermaterial schnell wieder ausgehärtet werden, um so die endgültige Fixierung des Faserbündels auf dem Trägermaterial sicherzustellen.
Auch hier ist es zweckmäßig, die Kühlvorrichtung bewegbar auszugestalten, so dass sie zusammen mit dem Legekopf entlang der vorgegebenen Raumkurve bewegt werden. Nach Ablegen des Faserbündels wird zunächst das Bindermaterial durch die induktive Beheizung aufgeschmolzen, sobald eine Verbindung zwischen Bindermaterial und Trägermaterial hergestellt ist, erfolgt durch die Kühlvorrichtung, die beispielsweise als Peltierelement ausgebildet sein kann, eine schnelle Abkühlung, so dass das Bindermaterial wieder erstarrt und das Faserbündel sicher auf dem Träger fixiert wird.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Legevorrichtung.
Zum Herstellen eines Faservorformlings für ein Faserverbundbauteil wird durch eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Legevorrichtung ein Carbonfaserbündel 12 von einer Haspel 14 abgespult und auf ein Trägermaterial 16 entlang einer vorgegebenen Raumkurve angeordnet. Diese Raumkurve entspricht beispielsweise den zu erwartenden Hauptspannungsrichtungen des fertigen Bauteils. So hergestellte Faservorformlinge werden später mit einer Harzmatrix injiziert, um so das endgültige Faserverbundbauteil zu erhalten.
Die Legevorrichtung 10 umfasst einen Industrieroboter 18, der mittels eines Legekopfs 20 das Carbonfaserbündel 12 auf die Oberfläche des Trägermaterials 16 aufbringt. Das Carbonfaserbündel 12 ist üblicherweise als sogenannter gespreizter Roving ausgebildet und umfasst bis zu 12.000 Einzelfasern, die geflochten oder auch relativ ungeordnet sein können. Das Carbonfaserbündel 12 ist weiterhin mit einem (in der Regel thermoplastischen) Bindermaterial imprägniert, welches eine Fixierung des Carbonfaserbündels 12 auf der Oberfläche des Trägermaterials 16 gestattet.
Zur Aktivierung des Bindermaterials muss dieses erwärmt werden, was bislang üblicherweise durch Heizschuhe, Heizstrahler oder dergleichen erfolgte. Das bekannte Verfahren des Erwärmens mit konduktiven Heizmitteln führt jedoch zu relativ langen Aufheizzeiten und damit langsamen Legegeschwindigkeiten.
Die Legevorrichtung 10 weist dagegen eine induktive Heizspule 22 auf. Durch diese werden im (elektrisch leitfähigen) Carbonfaserbündel 12 lokal Wirbelströme im Bereich der Heizspule 22 erzeugt, wodurch sich das Carbonfaserbündel 12 aufgrund seines elektrischen Widerstandes erhitzt. Durch die entstehende Wärme wird das Bindermaterial aktiviert und aufgeschmolzen, benetzt das Trägermaterial und bindet schließlich das Carbonfaserbündel 12 auf die Oberfläche des Trägermaterials 16 durch Erstarrung bzw. chemische Reaktion.
Die Induktionsspule 22 wird dabei mittels eines gemeinsamen Trägers 24 vom Industrieroboter 18 mit dem Legekopf zusammen über die Oberfläche des Trägermaterials 16 geführt, so dass die Aufheizung immer in demjenigen Bereich erfolgt, in dem gerade eben das Faserbündel 12 auf die Oberfläche des Trägermaterials 16 abgelegt wurde.
Mit dem Träger 24 ist weiterhin eine Kühlvorrichtung 26 verbunden, beispielsweise ein Peltierelement umfassen kann oder auch der Zuleitung von kaltem Gas dienen kann. Auch die Kühlvorrichtung 26 wird von Industrieroboter 18 gemeinsam mit dem Legekopf 20 und der Induktionsspule 22 geführt, so dass unmittelbar nach dem Aktivieren des Bindermaterials durch die Induktionsspule 22 eine Abkühlung der Carbonfaserbündel 12 durch die Kühlvorrichtung 26 erfolgt. Eine weitere Variante stellt eine gekühlte Grundplatte dar, auf der das Trägermaterial fixiert ist. Unmittelbar nach dem Aktivieren des Bindermaterials und dessen Verbindung mit dem Trägermaterial 16 wird das Bindermaterial durch die Kühlvorrichtung 26 also abgekühlt und somit ausgehärtet, so dass das Faserbündel 12 unmittelbar nach dem Ablegen sofort auf dem Trägermaterial 16 fixiert wird. Damit wird eine besonders prozesssichere Herstellung von Faservorformlingen für die Fertigung von Kohlefaserverbundbauteilen ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 19071951 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faservorformlings für ein Faserverbundbauteil, bei welchem Faserbündel (12) aus Carbonfasern mittels einer Legeeinrichtung (10) entlang einer vorgegebenen Raumkurve auf ein Trägermaterial (16) abgelegt und an diesem durch thermische Aktivierung eines thermoplastischen Bindermaterials fixiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Aktivierung durch induktives Aufheizen der abgelegten Carbonfaserbündel (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Induktionsvorrichtung (22) zum induktiven Aufheizen zusammen mit einem Legekopf (20) der Legeeinrichtung (10) entlang der vorgegebenen Raumkurve geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem thermischen Aktivieren die fixierten Faserbündel (12) mittels einer Kühleinrichtung (26) gekühlt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (26) zum Kühlen der fixierten Faserbündel (12) zusammen mit dem Legekopf (20) der Legeeinrichtung (10) entlang der vorgegebenen Raumkurve geführt wird.
Legevorrichtung (10) zum Herstellen eines Faservorformlings für ein Faserverbundbauteil, mit einem Legekopf (20), mittels welchem ein Faserbündel (12) aus Carbonfasern entlang einer vorgegebenen Raumkurve auf ein Trägermaterial (16) ablegbar ist, sowie mit einer Heizvorrichtung (22) zum Aktivieren eines thermoplastischen Bindermaterials zum Fixieren des Faserbündels (12) auf dem Trägermaterial (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (22) als Induktionsvorrichtung zum Induzieren eines Stroms in dem Carbonfaserbündel (12) ausgebildet ist.
Legevorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (22) zusammen mit dem Legekopf (20) entlang der vorgegebenen Raumkurve bewegbar ist.
Legevorrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlvorrichtung (26) zum Kühlen des fixierten Faserbündels (12) vorgesehen ist.
Legevorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (26) zusammen mit dem Legekopf (20) entlang der vorgegebenen Raumkurve bewegbar ist.