DE102010029437A1

DE102010029437A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung textiler Preforms für Faserverbundstrukturen

Info

Publication number: DE102010029437A1
Application number: DE102010029437A
Authority: DE
Inventors: Christoph Sickinger
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-01

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer vorkonfektionierten textilen Struktur, wie z. B. einer Preform (5), zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere profilierte Träger, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (7/8) (Vorprodukten) mit einem Bindersystem und einer Umformvorrichtung (1) wobei zumindest ein erstes textiles Halbzeug (7), welches in eine dreidimensionale Form bringbar ist, auf einem Formunterteil (3) der Umformvorrichtung (1) angeordnet wird und das textile Halbzeuge (7), mittels eines auf das Formunterteil (3) aufgebrachtes Formoberteil (2), in der Umformvorrichtung (1) eingeschlossen, fixiert und anschließend zusammen mit der Umformvorrichtung (1) umgeformt und thermisch fixiert wird, sodass eine Preform (5) entsteht, die nach dem Abkühlen die gewünschte Form beibehält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer vorkonfektionierten textilen Struktur, wie z. B. einer Preform, zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere profilierte Träger, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten) mit einem Bindersystem und einer Umformvorrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Umformvorrichtung zur Herstellung einer Preform und ein Bauelement mit einer entsprechend hergestellten Preform.
Die in der Erfindung dargelegte Lösung bezieht sich auf die Problematik, gekrümmte, profilierte Träger in Faserverbundbauweise industriell zu fertigen. Derartige Profile sind vielseitig einsetzbar, zum Beispiel im Luftfahrzeugbau für die Produktion von CFK-Rumpfspanten
Bauelemente aus faserverstärktem Kunststoff sind erfindungsgemäß insbesondere mit Carbon-Fasern verstärkte Kunststoffbauteile oder Faserverbundstrukturen (CFK aber auch GFK etc).
Eine Preform ist eine vorkonfektionierte textile Struktur, ein Vorprodukt, das schon die Form des zu fertigenden Bauelementes aufweist und in einem nachfolgenden Prozess in einem Matrixsystem, einem Klebeharz, getränkt und anschließend unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet wird.
Für die industrielle Produktion von Faserverbundstrukturen mit komplexen geometrischen Konturen, wie gekrümmte, profilierte Träger, die auf Basis textiler Prozesse gefertigt werden (z. B. RTM-Verfahren), müssen entsprechende Preforms bereit gestellt werden. Zur Fertigung der Preform werden im Stand der Technik mit großem manuellem Aufwand einzelne Faserzuschnitte in einer starren, Form gebenden Kontur zueinander positioniert, drapiert und fixiert . Auf Grund des dafür notwendigen Personaleinsatzes bedeutet das auf diese Weise durchgeführte „Preforming” bei großen Stückzahlen einen hohen Personaleinsatz und Kostenaufwand.
Generell besteht die Hauptschwierigkeit beim Drapieren/Ablegen der eben textilen Zuschnitten auf komplex geformte Formen darin, dass sich die Faserverläufe durch Verscherung im Material ändern. Aufgrund der Komplexität der Drapiervorgänge, ist dies von Automaten derzeit nicht oder nur ansatzweise zu erreichen.
Bei der manuellen Ablage, wie es nach dem Stand der Technik üblich ist, unterliegt die Ablagequalität und -reproduzierbarkeit jedoch signifikanten Schwankungen. Zudem ist die Ablagegeschwindigkeit bzw. Produktivität gering.
Automatisierungskonzepte für textiles Preforming von gekrümmten und profilierten Trägern sind z. B. aus der DE10251581 bekannt. Hier werden die textilen Halbzeuge unmittelbar vor dem Aufbringen auf einen Träger mit der gewünschten Kontur geflochten. Nachteile des Flechtens sind zum Beispiel eine geringe Produktivität (langsame Abzugsgeschwindigkeit) sowie eine vergleichsweise geringe strukturelle Performance, da der Flechtprozess im Gegensatz zu laminatförmigen Strukturen auf dem Prinzip von Faserverschlingungen basiert (geringere Festigkeit, Steifigkeit).
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie ein Umformvorrichtung zum Herstellen einer textilen Preform bereitzustellen, mit dem bzw. textile Preforms mit verbesserten Eigenschaften hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird mittels des Verfahrens sowie mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie der Umformvorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer vorkonfektionierten textilen Struktur, wie z. B. einer Preform, zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere profilierte Träger, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (Vorprodukten) mit einem Bindersystem und einer Umformvorrichtung vorgeschlagen, bei dem zumindest ein erstes textiles Halbzeug, welches in eine dreidimensionale Form bringbar ist, auf einem Formunterteil der Umformvorrichtung angeordnet wird und das textile Halbzeug, mittels eines auf das Formunterteil aufgebrachtes Formoberteil, in der Umformvorrichtung eingeschlossen, fixiert und anschließend zusammen mit der Umformvorrichtung umgeformt und thermisch fixiert wird, sodass eine Preform entsteht, die nach dem Abkühlen die gewünschte Form beibehält.
Zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften der Preform wird vorgeschlagen, mindestens ein zweites textiles Halbzeug, welches zumindest in einer Richtung unverformbar ist, auf dem ersten textiles Halbzeug anzuordnen, wobei diese zusammen in der Umformvorrichtung eingeschlossen, fixiert und anschließend zusammen mit der Umformvorrichtung umgeformt und thermisch fixiert werden, sodass eine Preform entsteht, die nach dem Abkühlen die gewünschte Form beibehält.
Bevorzugt bestehen die textilen Halbzeuge aus Carbon- und/oder Glasfasern.
Im Sinne der Erfindung wird zwischen zwei Arten von textilen Halbzeugen unterschieden.
Verformbare Halbzeuge bestehend aus Fasergelegen bzw. Fasergeflechten mit einem +–45° Geflecht, welches die Eigenschaft hat, dass es sich unter 45° zur Faserorientierung leicht umformen bzw. drapieren lässt. Beim Drapieren verschieben sich allerdings die Fasern zueinander und die Winkel zueinander ändern sich, sodass sich die Festigkeitseigenschaften im fertigen Produkt ändern.
Textile Halbzeug die zumindest in einer Richtung unverformbar sind, haben in einer Richtung Längsfasern, eine sogenannte 0°-Lage. Ein Fasersystem mit 0°-Lage läst sich parallel zur 0°-Lage nicht dehnen, sodass das fertige Produkt genau vorher bestimmbare Eigenschaften im Bereich der 0°-Lage hat.
Um beim Umformen die Eigenschaften des zweiten textilen Halbzeugs nicht zu verändern, wird dieses so in der Umformvorrichtung platziert, dass es die neutrale Faser der zu fertigenden Preform bildet.
Zur Fixierung der textilen Halbzeuge ist Vakuum vorgesehen, so können auch mehrere Lagen übereinander auf einem der Formteile der Umformvorrichtung fixiert werden, da die Maschenlöcher der einzelnen Lagen luftdurchlässig sind.
Des Weiteren kann vorgesehen werden, die Lagen auch während des Verformens mit Vakuum zu fixieren und so ein gezieltes Verformen oder Drapieren des ersten textilen Halbzeuges zu erreichen.
Die Temperatur zum thermischen Fixieren liegt vorzugsweise zwischen 80 und 120°C. Dabei besteht die Möglichkeit, die Umformvorrichtung mit den eingeschlossenen textilen Halbzeugen in der Umformvorrichtung vor oder nach dem Umformen aufzuheizen.
Im umgeformten Zustand wird die fertige Preform anschließend in der Umformvorrichtung auf 40 bis 60°C abgekühlt.
Die Umformvorrichtung zum Herstellen vorkonfektionierter textiler Preforms, insbesondere profilierter Träger, besteht insbesondere aus einem profilierte Träger, der das Formunterteil bildet und einem Formoberteil, zwischen denen die textilen Halbzeuge fixierbar sind, wobei die Formteile aus einem verformbaren Material bestehen.
Vorzugsweise bestehen die Formteile aus Silikon oder einem ähnlichen Material.
Des Weiteren ist in einem der Formteile ein Trägerblech eingebracht, dass beim Umformen die neutrale Faser festlegt, um die die Umformvorrichtung verformt werden kann.
Zur Fixierung der Formteile umfasst die Umformvorrichtung eine Vakuumversorgung, mittels der die textilen Halbzeuge an einem Formteil fixierbar sind.
Zusätzlich umfasst die Umformvorrichtung vorzugsweise eine Heizeinheit, mittels der die vorkonfektionierten textilen Halbzeuge auf eine Temperatur oberhalb der Bindersystem-Aktivierungstemperatur aufheizbar sind.
Zudem betrifft die Erfindung Bauelemente aus faserverstärktem Kunststoff, bestehend aus mind. einer endkonturnahen Preform, die mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet wird, wobei die Preform mittels des vorgeschlagenen Verfahrens und/oder mit Hilfe der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung hergestellt ist.
Vorteile der vorliegenden Erfindung sind:

– verbesserte Reproduzierbarkeit
– geringere Ausschussrate
– einfache industrielle Produktion

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigt in schematischer Darstellung:
1 Querschnitt durch die Umformvorrichtung zur Herstellung von Preforms
2 Verformung der in der Form fixierten Preform
3 Flussschema
In der 1 ist die Umformvorrichtung 1 zur Herstellung von Preforms gezeigt. Die dargestellte Umformvorrichtung 1 besteht aus einem Formoberteil 2 und einem Formunterteil 3. Beide bestehen aus einem Silikonmaterial, wodurch diese leicht bzw. hyperelastisch umgeformt werden können. Um die erfindungsgemäße Wirkung zu erreichen ist im Formoberteil 2 ein Trägerblech 4 eingearbeitet.
Auf die Kontur gebende Positivform, hier das omegaförmige Formunterteil 3, wird das (die) textile(n) Halbzeug 8, 9 abgelegt. Dies kann zum Beispiel ein ebener Zuschnitt aus einem +–45°-Carbonfaser-Gelege und ein weiterer textiler Zuschnitte, z. B eine 0°-Lagen sein. Die Fixierung der textilen Halbzeuge 8, 9 erfolgt vorzugsweise mittels Vakuum. Die Vakuumeinheit besteht aus einer automatisch ansteuer- und regelbaren Vakuumquelle (-pumpe) mit entsprechenden Leitungen, sowie einem Regelungssystem. Die Vakuumeinheit soll während des gesamten Umformvorgangs den notwendigen Unterdruck erzeugen, um die textilen Halbzeuge, die die spätere Preform 5 bilden, zwischen dem Formoberteil 2 und dem Formunterteil der Umformvorrichtung 1 zu fixieren.
2a zeigt die Umformvorrichtung 1 im geschlossenen und unverformten Zustand auf einem Formwerkzeug 10. Durch die Aktivierung einer ansteuer- und regelbaren Aktuatorik wird das Umformwerkzeug mit den in ihr fixierten Halbzeugen definiert gekrümmt bzw. verbogen, sodass die gewünschte dreidimensionale, gekrümmte Kontur der Preform 5 entsteht, 2b.
Beim Umformen der textilen Halbzeuge sorgt das eingearbeitet dehnsteife Trägerblech 4 im Formoberteil 2 dafür, dass die textilen Zuschnitte die direkt am Trägerblech liegen die neutrale Faser bildet. Bei einsetzender Biegeverformung erzwingt das Trägerblech eine neutrale Ebene, die keine Längsdehnung erfährt. Dadurch wird sicher gestellt, dass im Bereich z. B. der 0°-Lagen keine Zwangskräfte entstehen und die Verschiebungen der weiteren textilen Halbzeuge der Preform 5 sich reproduzierbar der Verformung der neutralen Ebene unterordnen.
Die 0°-Fasern erfahren keine Dehnung, die weiteren textilen Zuschnitte 8 der Preform 5 spreizen und fächern sich homogen über den Umfang. Nach dem Verformen werden die textilen Halbzeuge 8, 9 durch die Heizeinheit so weit aufgeheizt, dass die thermisch aktiven Binder im textilen Halbzeug 8, 9 aktiviert werden und einen Preform 5 entsteht die nach dem Abkühlen die gewünschte Form beibehält.
Die Heizeinheit besteht aus einer flexiblen dünnen Silikon-Membran in die eine flächige Heizung integriert ist (Silikon-Heizmatte), entsprechenden Leitungen mit ansteuerbarem Equipment, sowie einem Regelungssystem.
Die geschlossene Umformvorrichtung 1 kann über eine positive sowie über eine negative Kontur gezwungen werden.
Die Umformvorrichtung 1 ist ein vollständig automatisierbares und rekonfigurierbares Werkzeug, das die auf ihr fixierten textilen Zuschnitte maschinell und reproduzierbar umformt.
In 3 wird anhand eines Flussschemas ein möglicher Prozess des Preformings dargestellten.
Einen Steuerungseinheit regelt und steuert dabei vollautomatisch das Zusammenspiel der Vakuumeinheit, der Umformvorrichtung 1 und der Heizeinheit; sie sendet empfängt Signale an die einzelnen Einheiten gemäß eines Programms. Die Steuerungseinheit besteht aus Mess- und Regelungsequipment sowie geeigneter Software.
Demnach wird nach dem Schließen der Umformvorrichtung zunächst ein Unterdruck zwischen dem Formunterteil 3 und dem Formoberteil 2, mit Heizeinheit, angelegt, sodass die textilen Halbzeuge 8, 9 dadurch fixiert werden. Sobald ein ausreichendes Vakuum anliegt, startet die Aufheizung der textilen Halbzeuge 8, 9 mittels der Heizeinheit. Nach Erreichen der Aktivierungstemperatur des Bindersystems (Aufschmelzen) wird die Umformung eingeleitet. Dabei werden das Vakuum und die Temperatur gehalten.
Sobald die vordefinierte Verformung erreicht ist erfolgt die Abkühlungsphase im verformten Zustand der Umformvorrichtung, wobei das Vakuum nach wie vor anliegt. Erst nach der Erstarrung des Bindersystems ist die entstandene Preform 5 ausreichend fixiert, sodass sie Ihre gewünschte Form beibehält.
Das Vakuum kann nun belüftet, die Form geöffnet und die umgeformte Preform 5 entnommen werden.
Durch die Anwendung dieses Verfahrens in Kombination mit der Umformvorrichtung können Preforms hergestellt werden, die absolut homogen sind und die eine 0°-Lage enthalten können.
Bezugszeichenliste

1: Umformvorrichtung
2: Formoberteil
3: Formunterteil
4: Trägerblech
5: Preform
6: Gurt
7: Schablone
8/9: Halbzeug
10: Formwerkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10251581 [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer vorkonfektionierten textilen Struktur, wie z. B. einer Preform (5) zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere profilierte gekrümmte Träger, unter Verwendung von textilen Halbzeugen (7/8) (Vorprodukten) mit einem Bindersystem und einer Umformvorrichtung (1) dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erstes textiles Halbzeug (7), welches in eine dreidimensionale Form bringbar ist, auf einem Formunterteil (3) der Umformvorrichtung (1) angeordnet wird und das textile Halbzeuge (7), mittels eines auf das Formunterteil (2) aufgebrachtes Formoberteil (2), in der Umformvorrichtung (1) eingeschlossen, fixiert und anschließend zusammen mit der Umformvorrichtung (1) umgeformt und thermisch fixiert wird, sodass eine Preform (5) entsteht, die nach dem Abkühlen die gewünschte Form beibehält.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites textiles Halbzeuge (8), welches zumindest in einer Richtung unverformbar ist, auf dem ersten textiles Halbzeug (7) angeordnet wird und zusammen mit diesem in der Umformvorrichtung (1) eingeschlossen, fixiert und anschließend zusammen mit der Umformvorrichtung (1) umgeformt und thermisch fixiert werden, sodass eine Preform (5) entsteht, die nach dem Abkühlen die gewünschte Form beibehält.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das textilen Halbzeuge (7, 8) aus Carbon- und/oder Glasfasern bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das erstes textiles Halbzeug (7) aus einem +–45° Gelege besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite textile Halbzeug (8) aus einem 0°-Lage besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite textile Halbzeug (8) die neutrale Faser der Preform (5) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die textilen Halbzeuge (7, 8) mit Vakuum fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum die textilen Halbzeuge (7, 8) beim Verformen derart fixiert, dass ein gezieltes Verformen oder Drapieren der textilen Halbzeuge (7) möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zum thermischen Fixieren zwischen 80 und 120° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die textilen Halbzeuge (7, 8) in der kalten oder aufgeheizten Umformvorrichtung (1) umgeformt werden und im umgeformten Zustand in der Umformvorrichtung (1) auf ca. 40 bis 60°C abgekühlt werden.
Umformvorrichtung (1), zum Herstellen einer vorkonfektionierten textilen Struktur, wie z. B. einer Preform (5), zur Herstellung eines Bauelementes aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere profilierte gekrümmte Träger dadurch gekennzeichnet, dass die Umformvorrichtung (1) aus mindestens einem Formunterteil (3) und einem Formoberteil (2) besteht, zwischen denen textile Halbzeuge (7, 8) fixierbar sind, wobei die Formteile (2, 3) aus einem verformbaren Material bestehen.
Umformvorrichtung (1) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile (2, 3) aus Silikon bestehen.
Umformvorrichtung (1) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Formteile (2, 3) eine Trägerblech eingebracht ist, dass beim Umformen die neutrale Faser festlegt, um die die Umformvorrichtung (1) verformt werden kann.
Umformvorrichtung (1) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Umformvorrichtung (1) eine Vakuumversorgung umfasst, mittels der die textilen Halbzeuge an einem Formteil (2, 3) fixierbar sind.
Umformvorrichtung (1) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Umformvorrichtung (1) eine Heizeinheit umfasst, mittels der die vorkonfektionierten textilen Halbzeuge auf eine Temperatur oberhalb der Binder-Aktivierungstemperatur aufheizbar sind.
Bauelemente aus faserverstärktem Kunststoff, bestehend aus mind. einer endkonturennahen Preform (5) die mittels eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur und gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet wird dadurch gekennzeichnet, dass die Preform (5) mittels des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 10 und/oder mit Hilfe der Umformvorrichtung (1) nach Anspruch 11 bis 15 hergestellt ist.