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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Preforms, die komplexe, dreidimensional geformte Formen aufweisen und die zur Darstellung von faserverstärkten Faserverbundkunststoff-Bauteilen vorgesehen sind, nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 6 und 7.
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Das Drapieren von zweidimensionalen Geweben in komplexe dreidimensionale Formen wird bisher weitestgehend von Hand durchgeführt. Ein automatisiertes Konzept bietet das Vakuumverfahren: Hierbei werden die Fasermatten auf die abzubildende Form und auf die Fasermatten wird eine Gummimatte gelegt. Der Raum zwischen Form und Gummimatte wird evakuiert und die Fasermatten somit an die Form angelegt. Mit Hilfe solcher Vakuumverfahren können bis dato nur dreidimensionale Formen mit einfachen Geometrien abgebildet werden.
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So lassen sich faserverstärkte Preforms 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.
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Aus der
WO 2010019697 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Helms aus faserverstärktem Kunststoff bekannt. Hierzu wird in einer Pressform zwischen einer der Werkzeughälften und dem Faser-Prepreg eine flexible Einlage positioniert. Zwischen dieser Werkzeughälfte und der flexiblen Einlage wird dann mittels eines Fluids ein Druck aufgebaut, so dass sie flexible Einlage das Prepreg gleichmäßig an die gegenüberliegende Werkzeughälfte presst. Die
DE 19922779 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformteils nach dem Harzinjektionsverfahren, bei dem in einem Drapierwerkzeug einen Vorformling erstellt wird. Dieses Drapierwerkzeug weist einen Spannrahmen auf, über den das den Vorformling bildende Fasermaterial vorgespannt wird, so dass ein verwerfungsfreies Einziehen des Fasermaterials in die Kavität des Drapierwerkzeuges möglich ist. Aus der
DE 10 2007 046 734 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit den Verfahrensschritten Einlegen von Fasermatten in die Kavität eines mehrteiligen Formwerkzeugs; – Umformen der Fasermatten mittels des Formwerkzeugs; – Evakuieren des Formwerkzeugs und – Einbringen eines fließfähigen Kunststoffwerkstoffs in einen Füllraum der Kavität des Formwerkzeugs bekannt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, faserverstärkte Preforms in komplexen 3-D-Geometrien vollautomatisiert und kostengünstig mit hoher Legequalität und Prozesssicherheit herstellen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 folgt dem identischen Erfindungsgedanken und löst diese Aufgabe ebenfalls.
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Die weitere Aufgabe der Schaffung eines vollautomatischen Verfahrens, mit dem faserverstärkte Preformen reproduzierbar und konturgetreu hergestellt werden können, wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Weiterbildungen der Vorrichtungen und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Herstellen einer komplex-dreidimensional geformten faserverstärkten Preform aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung umfasst ein Formwerkzeug mit einer Formkontur, die die komplex-dreidimensionale Form der Preform abbildet, und eine automatisiert führbare Handhabungsvorrichtung für die Faseranordnung. Mit der Handhabungsvorrichtung wird die zweidimensionale flächige Faseranordnung über der Formkontur des Formwerkzeugs positioniert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zur Einformung der Faseranordnung in dem Formwerkzeug Schüttgut und eine Schüttgut-Zufuhreinrichtung mit einer Auslassöffnung auf, die mittels einer Führungseinrichtung, die die Zufuhreinrichtung steuert, über der zweidimensionalen flächigen Faseranordnung zu deren Befüllung positioniert werden kann. So kann die in dem Formwerkzeug angeordnete Faseranordnung ausgehend von einem tiefsten Punkt der Formkontur stetig ansteigend mit dem Schüttgut befüllt werden. Diese Vorrichtung ermöglicht die vollautomatisierte Einformung der Faseranordnung in das Formwerkzeug. Das Schüttgut sorgt dabei für eine hohe Konturtreue. Vorteilhaft wird hier kein Spezialwerkzeug für die Einformung in die Formkontur benötigt, so dass eine hohe Flexibilität der Vorrichtung besteht. Falls zum Beispiel ein Formwerkzeug mit geänderter Formkontur eingesetzt werden soll, wird unter Umständen lediglich die Menge des benötigten Schüttguts variiert.
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Diese Schüttgut-Zufuhreinrichtung umfasst eine Vorrichtung oder ist mit einer solchen gekoppelt, die eine von der Position der Auslassöffnung abhängige Dosierung des Schüttgutes erlaubt. Geeigneterweise handelt es sich hierbei um eine Steuerungseinrichtung. Mit zunehmender Menge des zugeführten Schüttguts kann ein vertikales oder auch horizontales Bewegen bzw. Verfahren der Auslassöffnung der Schüttgut-Zufuhreinrichtung zur gleichmäßigen Befüllung der Fasermatte in dem Formwerkzeug ausgeführt werden. Auch können so, falls mehrere tiefste Punkte in der Formkontur vorliegen, diese Stellen zuerst befüllt werden.
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Zudem kann die Handhabungsvorrichtung Mittel zum Nachführen und/oder Spannen der Faseranordnung aufweisen, so dass die Faseranordnung zum einen während des Befüllvorgangs unter Spannung gehalten werden kann, um Faltenwurf zu verhindern, und zum anderen entsprechend der fortschreitenden Ausformung durch die zunehmende Befüllmenge nachgeführt werden kann, um die weitere Einformung zu ermöglichen. Dazu können die Nachführ- und/oder Einspannmittel mit der Steuerungseinrichtung gekoppelt sein und dadurch in Abhängigkeit der zugeführten Schüttgutmenge betätigt werden.
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Um eine gute Anpassung an die Formkontur bereitzustellen, kann das Schüttgut aus näherungsweise kugelförmigen Körpern, bevorzugt aus Kugeln bestehen, die in Größe und/oder Gewicht an die Formkontur bzw. deren Krümmungsradien und/oder einer Art der Faseranordnung insbesondere einer Biegefestigkeit derselben angepasst sein. Kleinere Kugeln ermöglichen eine höhere Formtreue während größere Kugeln eine einfachere Handhabung, insbesondere beim nachfolgenden Entfernen des Schüttguts aus der geformten Preform aufweisen. So kommen kleinere Kugeln insbesondere bei Formkonturen mit kleineren Biegeradien zum Einsatz.
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Um verwendetes Schüttgut nach dem Formprozess aus der Form entfernen zu können, kann die Vorrichtung ferner Entleerungsmittel aufweisen. Bei den Entleerungsmitteln kann es sich beispielsweise um eine an dem Formwerkzeug vorliegende Kippvorrichtung handeln; es kann aber auch eine mit der Zufuhreinrichtung gekoppelte Absaugpumpe zur Entfernung des Schüttguts verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann als Entleerungsmittel ein Schüttgutauffangtuch vorgesehen sein, das mittels einer Ablegeeinrichtung auf der von dem Formwerkzeug abgewandten Seite der Faseranordnung vor dem Befüllen mit dem Schüttgut abgelegt werden kann, so dass es nach erfolgtem Befüllvorgang zusammen mit dem Schüttgut entnommen werden kann.
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Eine weitere Vorrichtung zum Herstellen einer komplex-dreidimensional geformten faserverstärkten Preform aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung, die demselben Erfindungsgedanken folgt und daher ebenfalls ein Formwerkzeug mit Formkontur und eine automatisiert führbare Handhabungsvorrichtung zur Positionierung der Faseranordnung über der Formkontur in dem Formwerkzeug umfasst, bezieht sich darauf, dass die Vorrichtung eine formflexible Schüttgutmatte und eine Schüttgutmatten-Zufuhreinrichtung aufweist. Die Zufuhreinrichtung kann mittels einer die Zufuhreinrichtung steuernden Führungseinrichtung über der zweidimensionalen flächigen Faseranordnung positioniert werden, um die Schüttgutmatte auf der Faseranordnung abzulegen, so dass diese entsprechend der Formkontur eingeformt wird. Dazu weist die Zufuhreinrichtung Mittel zum lösbaren Greifen der Schüttgutmatte auf. Mit einer solchen Schüttgutmatte lässt sich zwar unter Umständen eine weniger komplexe abformbare dreidimensionale Struktur realisieren als bei losem Schüttgut, allerdings ist die Handhabung der Schüttgutmatte einfacher. So kann zum Entfernen der Schüttgutmatte nach erfolgtem Formvorgang ebenfalls die Zufuhreinrichtung mit den Greifmitteln verwendet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer komplex-dreidimensional geformten faserverstärkten Preform aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung mittels einer Vorrichtung, die zur Einformung Schüttgut verwendet, umfasst das Aufnehmen der Faseranordnung durch die Handhabungsvorrichtung, die die Faseranordnung über der Formkontur des Formwerkzeugs, die die komplex-dreidimensionale Zielform der Preform abbildet, positioniert. Als nächstes wird die Zufuhrvorrichtung mit ihrer Schüttgutauslassöffnung über einem tiefsten Punkt der Formkontur oberhalb der Faseranordnung positioniert und eine erste Portion des Schüttguts über der Faseranordnung abgelassen.
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Während des Befüllens mit Schüttgut erfolgt das Positionieren der Schüttgutauslassöffnung der Zuführvorrichtung über weiteren, stetig ansteigend Punkten der Formkontur oberhalb der Faseranordnung, dabei kann es sich einfach um eine vertikale Bewegung der Zufuhrvorrichtung nach oben handeln, die Zufuhrvorrichtung kann aber auch in horizontaler Richtung abhängig von der Formkontur über die Faseranordnung bewegt werden. Dabei werden weitere Portionen des Schüttguts auf die Faseranordnung abgelassen, wobei die zweidimensionale flächige Faseranordnung schrittweise an die Formkontur angepasst wird bzw. wobei die Einformung erfolgt so die komplex-dreidimensional geformte Preform erhalten wird.
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Mit Hilfe dieses Verfahrens können Faseranordnungen, die als ebenes zweidimensionales Gewebe vorliegen, vollautomatisch in ein komplexes dreidimensionales Formwerkzeug drapiert werden. Es können mehrere übereinander liegende Gewebeschichten der Geometrie des Formwerkzeugs angeglichen werden, wobei die Faseranordnungen in einem geführten Prozess eingelegt werden, so dass eine hohe Legequalität und Prozesssicherheit gewährleistet ist. Der erfindungsgemäße Einformprozess der Faseranordnungen ist reproduzierbar und erfolgt vollautomatisch.
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Ein weiterer Verfahrensschritt bezieht sich auf das kontrollierte gesteuert Nachführen der Faseranordnung in Abhängigkeit der zugeführten Schüttgutmenge, während die Einspannmittel gleichzeitig die Faseranordnung während des weiteren Befüllens unter Spannung halten, um Faltenwurf zu unterbinden.
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Ist die Faseranordnung vollständig eingeformt, besteht ein weiterer Verfahrensschritt in der Entfernung des Schüttguts zur Wiederverwendung im nächsten Formprozess. Dazu kann das Formwerkzeug gekippt werden, so dass das Schüttgut ausgeschüttet wird und in einem adäquaten Sammelbehälter aufgefangen werden kann. Alternativ dazu kann nach Fertigformen der Preform das Schüttgut entfernt werden, indem eine mit der Zufuhreinrichtung gekoppelten Absaugpumpe aktiviert wird. Eine weitere Alternative zur Entfernung des Schüttguts besteht in der Verwendung des Schüttgutauffangtuchs, das vor dem Befüllen auf die Seite der Faseranordnung gelegt wurde, die von dem Formwerkzeug abgewandt ist, und nach Beendigung des Einformprozesses mitsamt dem Schüttgut entnommen werden kann.
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Wird an Stelle des losen Schüttguts eine Schüttgutmatte verwendet, so umfasst ein Verfahren zum Herstellen der komplex-dreidimensional geformten faserverstärkten Preform aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung zunächst ebenfalls das Aufnehmen und Positionieren der Faseranordnung über der die komplex-dreidimensionale Form abbildenden Formkontur des Formwerkzeugs durch die Handhabungsvorrichtung. Sodann wird die Zufuhrvorrichtung über einem tiefsten Punkt der Formkontur oberhalb der Faseranordnung positioniert und die formflexible Schüttgutmatte mittels der Schüttgutmatten-Zufuhreinrichtung auf der Faseranordnung ausgehend von dem tiefsten Punkt abgelegt, wodurch die zweidimensionale flächige Faseranordnung an die Formkontur eingeformt wird und die komplex-dreidimensional geformte Preform erhalten wird.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung stützt diese und dient 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 Seitenschnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die loses Schüttgut verwendet, während einer ersten Verfahrensphase,
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2 eine schematische Seitenschnittansicht entsprechend 1 während einer zweiten Verfahrensphase,
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3 eine schematische Seitenschnittansicht entsprechend 1 während einer dritten Verfahrensphase,
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4 eine schematische Seitenschnittansicht entsprechend 1 während einer vierten Verfahrensphase.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Fertigung faserverstärkter, komplex-dreidimensionaler Preforms, die zur Darstellung von Faserverbundkunststoff-Bauteilen vorgesehen sind, aus einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung.
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Unter einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung wird beispielsweise ein Gewebe, Gelege, Multiaxialgelege, Geflecht, Matte oder Vlies verstanden, wobei es sich bei den Verstärkungsfasern nicht ausschließlich um Glasfasern, Karbonfasern und Aramidfasern handeln muss; auch andere Fasern kommen in Frage. Die zweidimensionale flächige Faseranordnung kann trocken vorliegen oder mit Matrixmaterial wie einem Harz getränkt sein, es ist auch möglich, dass sie erst nach dem Umformen mit dem Matrixmaterial infiltriert wird, beispielsweise mit einer thermoplastischen Kunststoffschmelze. Ferner können faserverstärkte nicht- oder nur teilkonsolidierte Halbzeuge wie etwa ein Organoblech (faserverstärkte Thermoplastplatte) oder ein Hybridgewebe mit Verstärkungsfaser und Matrixfaseranteil verwendet werden.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen beziehen sich darauf, Faseranordnungen wie beispielsweise Gewebematten aus Kohlenstofffasern, die als ebenes, zweidimensionales Gewebe vorliegen, vollautomatisch in ein Formwerkzeug mit einer komplexen zweidimensionalen Formkontur zu drapieren, um mehrere übereinander liegende Gewebeschichten der Geometrie des Formwerkzeugs anzugleichen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglichen das Einlegen der Faseranordnungen in einem geführten Prozess und gewährleisten so eine hohe Legequalität und Prozesssicherheit.
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Ein erfindungsgemäßer Formprozess, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt wird, ist in 1 bis 4 schematisch skizziert.
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In 1 ist dargestellt, wie die Fasermatte 1 von der Handhabungsvorrichtung 3 in das Formwerkzeug 2 eingelegt wird. Das Formwerkzeug 2 weist die Formkontur 2a auf, die die komplex-dreidimensionale Zielform der aus den Fasermatten 1 zu bildenden Preform abbildet. Die Handhabungsvorrichtung 3 weist Mittel 3a auf, um die Fasermatte 1 zunächst zu greifen.
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Ausgehend von dem tiefsten Punkt der Formkontur 2a des Formwerkzeugs 2 werden, wie 2 zeigt, Kugeln 5 geeigneter Größe, die vorliegend das Schüttgut bilden, mit Hilfe der Zufuhreinrichtung 4 auf die Fasermatte 1 gelegt oder geschüttet. Die Zufuhreinrichtung 4 kann mittels eines geeigneten Systems wie beispielsweise eine Roboters gesteuert, geführt und positioniert werden, so dass die Schüttgutauslassöffnung entsprechend der jewieligen Formkontur 2a zunächst an deren tiefsten Punkt positioniert werden kann. Die Fasermatte 1 wird während des Befüllens durch die Mittel 3a der Handhabungsvorrichtung 3 unter Spannung gehalten und dadurch wird Faltenwurf unterbunden.
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Die geeignete Größe der Kugeln hängt zum einen von der Komplexität der Formkontur 2a ab, zum anderen von der benötigten Konturtreue. Je kleiner die verwendeten Kugeln 5, desto formtreuer wird die Fasermatte 1 eingeformt. Da die Einformung der Fasermatten 1 von der tiefsten Stelle der Formkontur 2a ausgeht, werden die Fasermatten 1 korrekt und konturtreu in das Formwerkzeug 2 eingeformt. Durch diesen geführten Einformprozess wird die hohe Legequalität erreicht.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik wird zur Einformung der Fasermatten kein Spezialwerkzeug benötigt, vorteilhaft muss bei Veränderung der Formkontur lediglich gegebenenfalls die Anzahl der benötigten Kugeln bzw. deren Größe variiert werden.
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Bei der Zufuhreinrichtung 4 kann es sich beispielsweise um einen Schlauch handeln, der von einem Roboter geführt wird und durch den die Kugeln 5 durch die Auslassöffnung 4a kontrolliert auf der Fasermatte 1 verteilt werden.
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In 3 ist die Fasermatte 1 entsprechend einem tiefsten Formbereich der Formkontur 2a durch die Befüllung mit den Kugeln 5 bereits eingeformt, entsprechend erfolgt die weitere Einformung der Fasermatte 1 schrittweise, indem die Kugeln 5 die Formkontur 2a exakt nachformen. Durch das Gewicht der Kugeln 5 wird die mittels der Spannungsmittel 3a unter Spannung gehaltene Fasermatte 1 in dem Formwerkzeug 2 fixiert. Neben den Spannungsmitteln 3a weist die Handhabungsvorrichtung 3 auch Mittel zum Nachführen der Faseranordnung 1 auf, so dass die Fasermatte 1 entsprechend dem zunehmenden Befüllgrad schrittweise nachgeführt und damit auch kontrolliert unter Spannung gehalten wird.
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In 4 ist die Fasermatte 1 vollständig eingeformt und stellt somit die komplex geformte Preform 10 dar. Um die Kugeln 5 aus dem Formwerkzeug 2 zu entfernen, kann das Formwerkzeug gekippt werden, um die Kugeln 5 auszuschütten.
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Dazu kann eine geeignete Kippvorrichtung am Formwerkzeug vorgesehen sein. Alternativ zum Kippen des Formwerkzeugs ist denkbar, dass vor dem Befüllvorgang ein Tuch (nicht dargestellt) auf die Fasermatte 1 gelegt wird, so dass die auf die Fasermatte 1 geschütteten Kugeln 5 auf dem Tuch zu liegen kommen. Nach Beendigung des Einformens können die Kugeln 5 dann entnommen werden, indem das Tuch samt Kugeln 5 angehoben werden.
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Abhängig von Größe und Gewicht bzw. Dichte des Schüttguts ist auch der Einsatz einer mit der Zufuhreinrichtung verbundenen Saugpumpe denkbar, so dass das Schüttgut nach Beendigung des Formvorgangs von der geformten Preform abgesaugt wird.
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Ferner ist denkbar, falls das Schüttgut einen magnetischen Materialanteil aufweist, eine Magnetvorrichtung einzusetzen, um das Schüttgut aus der eingeformten Preform zu entfernen.
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Ein weiterer Ansatz, um die Faseranordnung einzuformen, besteht darin, statt losen Schüttguts eine Schüttgutmatte, wie beispielsweise eine Kugelmatte zu verwenden, deren Aufbau einer Netzstruktur wie etwa einem Kettenhemd ähnelt. Eine solche Kugelmatte kann dann anstelle des losen Schüttguts abgelegt werden, wobei auch hier vom tiefsten Punkt der Formkontur ausgegangen werden kann.
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Das Entfernen einer solchen Kugelmatte kann durch entsprechende Greifvorrichtungen einfach gestaltet werden, allerdings ist es mit Schüttgutmatten gegebenenfalls nicht möglich, eine Komplexität der abzuformenden Struktur zu erreichen, wie sie mit Kugeln möglich ist. Das Drapieren von flächigen, zweidimensionalen Geweben kann nun erfindungsgemäß vollautomatisch in komplexe dreidimensionale Formen erfolgen und zwar ohne aufwändige und teure Vorrichtungen und Verfahrensschritte. Die Vorrichtung ist einfach, es wird kein Spezialwerkzeug benötigt und der Einformprozess ist geführt reproduzierbar und vollautomatisch.
