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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von endlosfaserverstärkten Preforms, die zur Darstellung von endlosfaserverstärkten Faserverbundkunststoff-Bauteilen vorgesehen sind.
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Endlosfaserverstärkte Preforms lassen sich bislang lediglich als einfache 3-D-Konturen, meist in lediglich teilautomatisierten Prozessen, darstellen. Einen automatischen Prozess beschreibt die
EP 0 480 652 B1 mit dem Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Teile aus Verbundwerkstoffplatten aus einem faserverstärkten thermoplastischen Harz. Die Faserverbundmaterialien werden an einem Rahmen, von dem sich Stifte weg erstrecken, aufgespießt, die Verbundplatte wird erwärmt und das Flachmaterial wird innerhalb des von dem Rahmen begrenzten Bereichs umgeformt. Durch eine entsprechend aufzubringende Rückhaltekraft wird der faserpositionierende Stift in Richtung des sich zurückziehenden Flachmaterials gezwungen, so dass ein Deformationswinkel während des Formens innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs verbleibt. Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens offenbart.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, endlosfaserverstärkte Preforms in komplexen 3-D-Geometrien automatisiert und kostengünstig herstellen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der eine endlosfaserverstärkte Preform mit einer komplexen dreidimensionalen Geometrie kostengünstig und automatisiert auf einer Formfolie hergestellt werden kann. Dazu weist die Vorrichtung eine Matrize auf, deren Reliefstruktur die dreidimensionale Form der Preform abbildet, und einen dazu komplementär geformten Stempel, der gegen die Matrize gesteuert verfahren werden kann.
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Um die Preformfolie in der Vorrichtung zu positionieren oder gar fixierend zu positionieren, wird nun eine Vielzahl von Positionierstiften verwendet, die sich nicht über einen Rahmen um die Reliefstruktur verteilen, sondern über die gesamte Fläche der Reliefstruktur der Matrize angeordnet sind. Dabei sind, abhängig von der Reliefstruktur, einer oder mehrere Positionierstifte senkrecht im Bezug zur Horizontalen auf der Matrize angeordnet, während andere Positionierstifte sich geneigt im Bezug zu der Horizontalen von der Matrize weg erstrecken. Dies ist insbesondere in Bereichen der Reliefstruktur der Fall, in denen Erhebungen oder Vertiefungen vorhanden sind, das heißt, in den Bereichen, in denen die komplexe Umformung stattfindet.
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Die Positionierstifte sind zudem zwischen einer ausgefahrenen Anordnung und einer teilweise oder ganz in die Matrize zurückgezogenen Anordnung verfahrbar, wobei die distalen Enden der Positionierstifte in der ausgefahrenen Anordnung zur Positionierung der Preformfolie in einer horizontalen Ebene liegen. Dies hat zur Folge, dass die Positionierstifte abhängig von ihrer Lage auf der Reliefstruktur und abhängig von einem Winkel den sie zur Horizontalen bilden, unterschiedlich lang sind, beziehungsweise unterschiedliche Auszugslängen aufweisen. Mit Hilfe dieser Positionierstifte lässt sich vorteilhaft erfindungsgemäß eine auf den Stiften positionierte oder daran fixierte Preformfolie entlang den Positionierstiften an die Reliefstruktur der Matrize heranführen, so dass dann der Umformschritt mittels des Stempels an der mittels der Positionierstifte vorgeformten Preformfolie vorgenommen werden kann.
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So lässt sich die Matrize abhängig von ihrer Reliefstruktur in viele Umformzonen unterteilen, wobei jeweils in Grenzbereichen zwischen benachbarten Umformzonen wenigstens einer der Positionierstifte angeordnet ist. An der Preformfolie sind Fixpunkte vorgesehen, an denen die distalen Enden der Positionierstifte angeordnet werden. Die Lage der Fixpunkte beziehungsweise die Lage der distalen Enden der Positionierstifte ist dabei so ausgebildet, dass eine zwischen benachbarten Fixpunkten der Preformfolie aufgespannte Fläche eine Ausdehnung aufweist, die einem Oberflächeninhalt der von den entsprechenden Positionierstiften begrenzten Umformzone der Matrize entspricht. Umformzonen mit hohem Umformgrad haben einen höheren Flächenbedarf als Umformzonen mit geringem Umformgrad, beziehungsweise als Stellen, an denen gar keine Umformung stattfindet, und die ebenfalls von Positionierstiften umgeben sein können.
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Durch die Kombination von senkrechter und geneigter Anordnung der Positionierstifte kann so die endlosfaserverstärkte dreidimensionale Preformfolie an die komplex-dreidimensionale Form herangeführt werden, ohne übermäßige Spannung in der Preformfolie aufzubauen.
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Abhängig von der Komplexität der Reliefstruktur kann in einer Ausführungsform auch vorgesehen sein, statt eines einzigen Stempels einen modularen aus mehreren Stempelsegmenten zusammengesetzten Stempel einzusetzen. Die Segmente können dann auch einzeln angesteuert werden.
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Um die Endumformung mittels des Stempels durchführen zu können, werden die verfahrbaren Positionierstifte koordiniert zu dem Stempel, oder alternativ synchronisiert, angesteuert, so dass sie während des Verfahrens des Stempels in die Matrize in ihrer in die Matrize zurückgezogenen Anordnung vorliegen.
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Geeignete Stempel beziehungsweise geeignete Stempelsegmente können als Luftkissen oder Stempelkissen mit gleitfähiger Oberfläche ausgeführt sein.
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Es sind aber auch herkömmliche Umformstempel mit gleitfähiger Oberfläche denkbar.
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Um die Vorformung der Preformfolie mittels der Führung der Positionierstifte in Richtung der Matrize zu unterstützen, kann die Vorrichtung eine Druck ausübende Vorrichtung, wie etwa ein Gebläse, umfassen, die ihren Druck in Richtung der Matrize auf die Preformfolie ausübt, so dass diese an den Fixpunkten entlang der Positionierstifte in Richtung der Matrize gedrückt wird.
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Das mit einer solchen Vorrichtung durchführbare erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer komplex-dreidimensional geformten endlosfaserverstärkten Preform umfasst daher zunächst das Auflegen der Preformfolie auf die distalen Enden der Positionierstifte in der ausgefahrenen Anordnung, wobei die Preformfolie auf den Positionierstiften positioniert wird. Es folgt in einem ersten Prozessschritt das Bewegen der Preformfolie zumindest an den Fixpunkten in Richtung der Matrize, so dass die dreidimensionale Preformfolie an diesen ausgewählten Punkten in eine dreidimensionale Vorform überführt wird. Nach oder während des Überführens der Positionierstifte in die zurückgezogene Anordnung verfährt der Stempel gegen die Matrize, wobei die vorgeformte Preformfolie zu der komplex-dreidimensional geformten Preform umgeformt wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren mit dem einfachen Drapieren der Preformfolie auf den Positionierstiften lässt sich somit gut automatisieren und ermöglicht zudem eine Zykluszeitreduzierung bei der Herstellung der komplex-dreidimensional geformten Preforms, die sich bislang nicht vollautomatisch realisieren ließ.
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Um die auf den Positionierstiften ausgelegte und fixierend positionierte Preformfolie in Richtung der Matrize entlang der Positionierstifte zu bewegen, kann in einer Ausführungsform lediglich die Schwerkraft wirken gelassen werden oder es kann zusätzlich ein Druck auf die Preform in Richtung der Matrize ausgeübt werden, indem die Druck ausübende Vorrichtung betätigt wird. Alternativ kann das Bewegen der Preformfolie in Richtung der Matrize auch durch ein teilweises Einfahren der Positionierstifte bewerkstelligt werden, wenn zuvor die Preformfolie an den distalen Enden der Positionierstifte befestigt wurde.
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Weitere Verfahrensvarianten beziehen sich auf das Verfahren des Stempels, das mit schrittweise zunehmender Hublänge Material schonend erfolgen kann, oder auch unabhängiges Verfahren einzelner Stempelsegmente umfassen kann. Das Überführen der Positionierstifte in die zurückgezogene Anordnung kann durch koordiniertes Ansteuern des Stempels und der Positionierstifte vor dem Verfahren des Stempels oder durch synchronisiertes Ansteuern des Stempels in die Positionierstifte während des Verfahrens des Stempels erfolgen.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
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Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht auf eine Matrize mit Positionierstiften und einer darüber liegenden Preformfolie,
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2 die Matrize aus 1, mit die Positionierstifte durchdringender Preformfolie
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3 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit gegen die Matrize verfahrenem Stempel.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der automatisierten Herstellung einer komplexdreidimensionalen geformten endlosfaserverstärkten Preform aus einer zweidimensionalen endlosfaserverstärkten Preformfolie. Unter einer endlosfaserverstärkten Preformfolie wird ein flächiger Faserverbundkunststoff verstanden, der einer Umformung zugänglich ist, das heißt, bei dessen Kunststoffmatrix es sich um einen Thermoplasten handelt, der mittels Erwärmung umformbar wird, oder beispielsweise auch um ein trockenes oder harzgetränktes Fasergewebe, das nach dem Umformen aushärten gelassen wird. Bei den verwendeten Endlosverstärkungsfasern kann es sich beispielsweise, und nicht ausschließlich, um Glasfasern, Karbonfasern und Aramidfasern handeln. Diese können als Gewebe, Gelege, Multiaxialgelege, Geflecht, als Matte oder Vlies vorliegen. Aufgrund der Endlosfaserstruktur lässt sich ein solches Halbzeug nicht wie beispielsweise eine metallische Platine einer komplexen Umformung mittels einer Presse unterziehen, da sich abhängig von dem Elastizitätsmodul, der Bruchdehnung und der Zugfestigkeit von Fasern und Matrix sowie der Faserorientierung höhere Umformgrade nur schwer bewerkstelligen lassen.
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Erfindungsgemäß kann nun ein endlosfaserverstärktes Halbzeug wie etwa ein Organoblech (endlosfaserverstärkte Thermoplastplatte) oder ein Hybridgewebe mit Verstärkungsfaser und Matrixfaseranteil verwendet werden, es können aber auch trockene Endlosfaserhalbzeuge, das heißt ohne Matrixmaterialanteil, als Preformfolie verwendet werden.
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1 zeigt eine Preformfolie 1, sowie die Matrize 2, die die komplex dreidimensionale geformte Reliefstruktur der Preform abbildet. Diese Matrize weist nun eine mittige Zone auf, die von zwei zur Horizontale senkrechten Positionierstiften 4 begrenzt wird, in der die Preformfolie 1 keiner Umformung unterzogen wird. Beidseitig schließen sich jeweils zwei Umformzonen an, so dass dort die Positionierstifte 4 von der Mittelzone weg weisend geneigt angeordnet sind. Länge beziehungsweise Auszugslänge der Positionierstifte 4 und Neigung sind dabei so ausgewählt, dass die distalen Enden in einer horizontalen Ebene zu liegen kommen und die Preformfolie 1 positioniert darauf abgelegt werden kann.
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Die distalen Enden der Stifte 4 durchdringen die Preformfolie 1 an den Fixpunkten 1', so dass die Preformfolie in Bezug auf Ihre Lage und ihre Unterteilung in Umformzonen festgelegt ist. Länge und Winkel der Positionierstifte 4 sind ferner so ausgelegt, dass die zwischen benachbarten Fixpunkte 1' begrenzte Fläche der Oberfläche der entsprechenden Umformzone entspricht. Nachdem nun die gesamte Preformfolie mit der fixierenden Positionierung an den Positionierstiften 4 in diverse Umformzonen unterteilt wurde, findet nun unter Einfluss der Schwerkraft oder unter Aufbringen eines Drucks von oben auf die Preformfolie 1 die Drapierung der Preformfolie 1 in den einzelnen vorfixierten Umformfolien statt, indem die Preformfolie 1 an ihren Fixpunkten 1' entlang der Positionierstifte 4 in Richtung der Matrize geführt wird. Neben dem Schwerkrafteinfluss kann dies auch durch ein Druck ausübendes Mittel wie etwa ein Gebläse unterstützt werden, das die Preformfolie 1 in Richtung der Matrize drückt, wie in 2 zu sehen. Dabei wird die Preformfolie zumindest teilweise verformt, während sich die Fixpunkte 1' der Preformfolie an die vorgesehenen Stellen der Reliefstruktur bewegen.
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Alternativ dazu (und figurativ nicht dargestellt) kann die Preformfolie auch an ihre Fixpunkte mit den Positionierstiften verbunden werden, wobei dann die Preformfolie der Matrize näher gebracht wird, indem die Positionierstifte aus ihrer ausgefahrenen Anordnung in die, in 1 gestrichelt dargestellte, zurückgezogene Anordnung 4' überführt werden. Dabei können die Positionierstifte 4 unabhängig voneinander angesteuert werden, so dass die Positionierstifte 4 mit größerer Auszugslänge schneller beziehungsweise weiter eingefahren werden, als die Positionierstifte mit kürzerer Auszugslänge. Auch so lässt sich die zweidimensionale Preformfolie 1 in Richtung der Matrize 2 führen.
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3 zeigt den zweiten Umformschritt, in welchem der Stempel 3 gegen Matrize 2 verfährt und so die Preformfolie zu der endlosfaserverstärkten Preform mit komplexer dreidimensionaler Geometrie umformt. Zu diesem Zweck sind die Positioniersitfte in ihre zurückgezogene Anordnung 4' zurückgefahren. Als Stempel 3 ist in 3 ein segmentierter Stempel 3 dargestellt, bei dem verschiedene Stempelsegmente 3' verschiedenen Umformzonen zugeordnet sind. Der Stempel 3 beziehungsweise die Stempelsegmente 3' können über eine mechanische, pneumatische oder hydraulische Hubeinrichtung angesteuert werden, so dass die an den Fixpunkten schon vorgeformte Preformfolie 1 in die endgültige Kontur der Preform 10 überführt wird. Das Zurückziehen der Positionierstifte 4 kann in einem separaten vorgestellten Zwischenschritt erfolgen, kann aber auch synchron mit dem Verfahren des Stempels 3 stattfinden.
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Schließlich kann die Vorrichtung mit weiteren Komponenten ausgestattet werden, wie beispielsweise einer Wärmezuführungseinrichtung, um die Preformfolie mit Wärme zu beaufschlagen. Dies kann bei einem endlosfaserverstärktem Halbzeug mit Thermoplastmatrix sinnvoll sein, denn der die Kunststoffmatrix erwärmt wird, bis sie plastisch verformbar ist. Andererseits kann die Wärmezuführungseinrichtung beispielsweise bei einem imprägnierten Halbzeug dazu verwendet werden, dass Harz nach der Umformung aushärten zu lassen. Generell ist auch nicht ausgeschlossen, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Zufuhr eines Harzes umfassen kann.
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Zur Automatisierung des Herstellungsprozesses können zusätzlich noch Transportvorrichtungen vorgesehen sein, die einerseits die Preformfolie auf den Positionierstiften ablegen können und andererseits die fertige Preform aus der Vorrichtung entfernen können. Dabei kann eine Klemmvorrichtung von Nutzen sein, die die Preformfolie beziehungsweise die Preform beim Transport zu der Vorrichtung hin und davon weg festhält, die Klemmvorrichtung kann zudem bei der Positionierung der Preformfolie in der Vorrichtung nützlich sein. Schließlich kann die Vorrichtung eine Einrichtung umfassen, die das Endformen der fertigen Preform unterstützt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren können auch verwendet werden, um einen Halbzeugstapel auf und übereinander angeordneter endlosfaserverstärkten Halbzeugen in eine komplexe dreidimensionale Gestalt zu bringen. Dazu werden dann Halbzeugzuschnitte in entsprechend der Umformzonen unterteilten Bereichen über die Positionierstifte drapiert. Auch ein solcher Vorgang kann automatisiert durchgeführt werden.
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So lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem damit durchführbaren Verfahren eine komplex-dreidimensional geformte endlosfaservestärkte Preform kostengünstig, einfach und automatisiert mit verkürzter Zykluszeit herstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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