DE102011012500A1

DE102011012500A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes

Info

Publication number: DE102011012500A1
Application number: DE102011012500A
Authority: DE
Inventors: Christopher Smith; Casper Benteler
Original assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-02-26
Also published as: DE102011012500B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffes (2), insbesondere aus mindestens einer Faserwerkstoffbahn (2), wobei die Vorrichtung (1) ein Oberwerkzeug (3), ein Unterwerkzeug (4) sowie einen Spannrahmen (5) aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Oberwerkzeug (3) und/oder das Unterwerkzeug (4) mindestens zweiteilig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Teile separat voneinander bewegbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 10.
Zur Herstellung von Werkstücken, insbesondere im Kraftfahrzeugbau, gehört es zum Stand der Technik, Karosserie- und Strukturbauteile aus Stahlwerkstoffen oder aber auch Leichtmetallwerkstoffen herzustellen. Diese Werkstoffe vereinen gute Formgebungsfreiheitsgrade mit hohen Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig kostengünstiger Produzierbarkeit und einer ausreichenden Langlebigkeit.
Es ist jedoch auch möglich, Werkstücke, insbesondere Kraftfahrzeugbauteile, aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Insbesondere kommen hierzu Glasfaserverbundwerkstoffe oder aber Carbonfaserwerkstücke zum Einsatz.
Diese Faserverbundwerkstoffe bieten höhere Formgebungsfreiheitsgrade, höhere Festigkeitseigenschaften, bei gleichzeitig deutlich geringerem Eigengewicht. Es ist jedoch nicht möglich, diese Bauteile mit entsprechenden Taktzeiten in Serie herzustellen. So erreicht die Herstellung eines Faserverbundwerkstückes nicht die Fertigungszeit im Takt einer Blechtransferpresse.
Um dennoch akzeptabel kurze Taktzeiten, gerade für eine Großserienproduktion, zu erreichen, sind aus dem Stand der Technik sogenannte Preform-Prozesse bekannt. Hierbei werden mehrschichtige Lagen aus Faserwerkstoffen in Form von Geweben oder Gelegen annähernd in die Form gebracht, die das spätere Bauteil auch besitzen soll. Die einzelnen Lagen sind hierzu mit einem Binder versehen, der als Klebstoff wirkt. Die Lagenstapel werden auf eine Umformtemperatur geheizt und in das Formwerkzeug eingebracht. Nach dem Umformen wird das entstandene Halbzeug ausgehärtet und nach dem Entnehmen aus dem Umformwerkzeug weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt. Diese können beispielsweise eine schneide- oder stanztechnische Bearbeitung beinhalten.
Beispielsweise ist aus der DE 199 22 799 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformbauteils bekannt, bei dem ein Kunststoffformteil nach dem Harzinjektionsverfahren hergestellt wird. Hierzu wird ein Vorformling in einem Drapierwerkzeug erstellt. Dieses Drapierwerkzeug weist einen Spannrahmen auf, wobei das den Vorformling bildende Fasermaterial vorgespannt wird. Hierdurch wird ein verwerfungsfreies Einziehen des Fasermaterials in die Kavität des Drapierwerkzeuges möglich. Hierdurch ist es möglich, eine komplexe Geometrie unter Verwendung von Gelegen herzustellen.
Bei besonders hohen Umformgraden, d. h. bei punktuell betrachteten Flächenabschnitten, die einen besonders hohen Umformgrad haben, ist jedoch das Spannen über einen Spannrahmen nur suboptimal. Hier kann es unter Umständen zu einem Reißen des Fasermaterials oder aber zu einem Abscheren des Geleges kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Umformwerkzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes bereitzustellen, mit dem eine kurze Produktionszeit, eine hohe Werkstückgenauigkeit unter besonderer Berücksichtigung von hohen Umformgraden herstellbar ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Der verfahrenstechnische Anteil der Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes, insbesondere aus mindestens einer Faserwerkstoffbahn, wobei die Vorrichtung ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug sowie einen Spannrahmen aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug mindestens zweiteilig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Teile separat voneinander bewegbar sind.
Erfindungsgemäß wird ein mehrteiliges Formwerkzeug vorgeschlagen, wobei das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug jeweils mehrteilig ausgebildet sein können. Dies wird in Abhängigkeit der Komplexität des herzustellenden Werkstückes gewählt. Insbesondere gilt auch eine Berücksichtigung dem Entformen, also der Entnahme des Werkstückes aus dem Werkzeug.
Die einzelnen Teile des Werkzeugs oder aber nachfolgend auch Segmente genannt, werden in einer beliebig kombinierbaren, vorher definierten Reihenfolge und Geschwindigkeit aufeinander zubewegt, so dass eine Umformung der mindestens einen Faserwerkstoffbahn stattfindet. Somit werden nacheinander einzelne Abschnitte des Faserverbundwerkstückes oder aber zunächst eines Vorformlings umgeformt.
Dabei sind die Teile oder aber auch Segmente des Ober- und/oder Unterwerkzeuges separat und unabhängig voneinander beweglich bzw. verfahrbar, wobei insbesondere die Betätigung eines jeden Segmentes aktiv oder aber passiv erfolgen kann. Im Falle eines aktiven Bewegens ist jedes einzelne Segment mit einem eigenen Aktor ausgebildet. Im Falle eines passiven Bewegens können einzelne Segmente ein benachbartes oder aber anderes Segment des gleichen Werkzeuges mit bewegen. Dies erfolgt beispielsweise zeitversetzt über eine Relativkoppelungskinematik oder aber auch über eine mechanische Feder oder Ähnlichem.
Das erfindungsgemäße Prinzip des mehrteiligen Werkzeuges sieht vor, dass zunächst die Konturen des herzustellenden Werkstückes geformt werden, die auf das Werkstück bezogen die höchsten Umformgrade besitzen. Die Bahnen oder Gelege des Faserverbundwerkstoffes können somit zunächst ungehindert und ohne Faltenbildung oder aber Lochbildung geformt werden. Gleichzeitig wird der Faserverbundwerkstoff an diesen Stellen fixiert, so dass die nachfolgend absenkbaren bzw. bewegbaren Segmente straff und möglichst ebenfalls ohne Faltenbildung und Lochbildung über den restlichen Formhohlraum zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug gespannt bzw. geformt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann abhängig von der Komplexität des herzustellenden Werkstückes ein Spannrahmen mit eingesetzt werden, der jedoch das Werkzeug vorzugsweise außen umgibt. Der Spannrahmen ist somit nicht essentieller bzw. elementarer Bestandteil von Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug selber. Der Spannrahmen dient dabei vordergründig zur Unterstützung des Umformprozesses bzw. zum ursprünglichen Einlegen der Faserwerkstoffbahn zwischen das erfindungsgemäße Werkzeug.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit eine Möglichkeit zur Verfügung, um ein komplexes Umformbauteil aus Faserverbundwerkstoff herzustellen, das minimale Faltenbildung aufweist und das die Fehlstellen in dem Faserverbundwerkstück weitestgehend minimiert oder gar gänzlich ausräumt.
Weiterhin kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Faserverbundwerkstück in entsprechend kurzer Taktzeit mit gleichzeitig hoher Produktionsgenauigkeit hergestellt werden, was die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere für Fließbandprozesse, interessant macht.
Im Rahmen der Erfindung können jegliche Art von Faserverbundwerkstoffen verarbeitet werden, beispielsweise in Form von Geweben, Gelegen, Fließen oder aber Unifilo. Das Fasermaterial selber kann beispielsweise Kohlenstoff, Glas, Aramid, Basalt oder andere als Faserwerkstoff verwendete Materialien sein.
Für die Werkstoffe des Oberwerkzeuges und/oder Unterwerkzeuges werden im Rahmen der Erfindung bevorzugt Leichtmetalllegierungen oder aber Stahllegierungen, gewählt. Hieraus werden die einzelnen Teile und/oder Segmente des Werkzeuges hergestellt. Insbesondere kann beispielsweise auch ein Aluminiumwerkstoff oder aber ein herkömmlicher Stahlwerkstoff gewählt werden. Im Rahmen der Erfindung können zusätzlich die Werkzeuge selber auch aus Faserverbundwerkstoffen ausgebildet sein. Hierbei wäre es möglich, durch ein entsprechendes Auftragen von Trennmittel auf die Faserverbundwerkstoffwerkzeughälften die Herstellung bzw. Umformung von Faserverbundwerkstücken selber herzustellen.
Insbesondere können im Rahmen der Erfindung die einzelnen Segmente bzw. Werkzeugteile auch aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt sein. Beispielsweise ist es somit möglich, die Segmente, die während der Produktionszeit einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind aus Stahlwerkstoff herzustellen. Gleichzeitig können die Werkzeugteile mit besonders komplexen Geometrien aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt sein. Dies spart wiederum Produktionskosten im Werkzeugbau.
Insbesondere können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Gewebestapel verarbeitet werden, wobei bevorzugt ein Aufbau der einzelnen Lagen mit einer Faserausrichtung von 0 Grad, –45 Grad und +45 Grad erfolgt. Ebenfalls können beliebig viele 0 Grad orientierte Faserausrichtungen zwischen einen Stapel integriert werden. Im Rahmen der Erfindung können die einzelnen Gewebelagen auch aus unterschiedlichen eingesetzten Fasermaterialien hergestellt werden, so dass eine Kombination von Steifigkeit, Festigkeit und guten Crasheigenschaften bei einem erfindungsgemäßen hergestellten Faserverbundwerkstück realisiert wird.
Im Rahmen der Erfindung ist bevorzugt der Spannrahmen separat von dem Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug bewegbar. Hierdurch ist es möglich, über den Spannrahmen die mindestens eine Faserwerkstoffbahn in die erfindungsgemäße Vorrichtung einzulegen und vor bzw. während des Umformvorganges lagefixiert zu halten. Über eine Relativbewegung zwischen Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug ist es möglich im Rahmen der Erfindung, mit der im Spannrahmen eingelegten Faserwerkstoffbahn verschiedene Vorspannungsgrade in der Faserwerkstoffbahn herzustellen. Im Rahmen der Erfindung ist es somit über der Möglichkeit der Relativbewegung zwischen Spannrahmen und Oberwerkzeug gut möglich, während des eigentlichen Umformprozesses den Spannrahmen weiter zu verfahren, so dass eine an die jeweilige Umformgrade angepasste Vorspannung der Faserwerkstoffbahn hergestellt wird.
Weiterhin bevorzugt werden die Faserwerkstoffbahnen im Rahmen der Erfindung mit einer Greifeinheit und/oder über den Spannrahmen zwischen Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug platziert. Hierdurch ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Prozess derart zu automatisieren, dass er beispielsweise im Fall eines Greifers vollautomatisch ablaufen kann. Das Einlegen der Faserwerkstoffbahn sowie das Entnehmen des fertigen Faserverbundwerkstückes sind somit ohne manuellen Eingriff möglich.
Im Rahmen der Erfindung ist der Spannrahmen weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass er die Vorrichtung zumindest abschnittsweise umlaufend umfasst, wobei der Spannrahmen auf eine Vertikalrichtung bezogen oberhalb der äußeren Profilierungen des Unterwerkzeuges angeordnet ist, so dass die Faserwerkstoffbahn durchhängt.
Im Rahmen der Erfindung ist somit sichergestellt, dass die Faserwerkstoffbahn vor bzw. während des Umformprozesses lagefixiert gehalten ist. Aufgrund der Positionierung oberhalb der äußeren Profilierung des Unterwerkzeuges, ist es weiterhin erfindungsgemäß möglich, die Faserwerkstoffe mit der nötigen Genauigkeit zu halten, ohne diese zu spannen. Während der Umformung selber kommt es somit nicht zu Spannungsrissen, aufgrund einer Addition von Vorspannung über den Spannrahmen in Kombination mit Umformung durch Schließen des Ober- und Unterwerkzeuges. Insbesondere wird hier an Stellen mit, relativ auf das Werkstück bezogen, hohen Umformgraden eine Fehlbildung bzw. ein Reißen einzelner Werkstoffbahnen vermieden.
Bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung das Oberwerkzeug aus drei Teilen ausgebildet. Hierbei bildet ein erster Teil ein Mittelsegment, ein zweiter Teil ein Zwischensegment und ein dritter Teil ein Randsegment. Insbesondere eignet sich ein mindestens dreiteiliges Werkzeug zur Herstellung eines breitflächigen Kraftfahrzeugbauteils, besonders bevorzugt zur Herstellung einer Reserveradmulde. Ebenfalls ist es vorstellbar, eine Seitenwand oder aber eine Tür eines Kraftfahrzeuges entsprechend mit einem mindestens dreiteiligen Werkzeug herzustellen.
Die einzelnen Werkzeugteile sind als Segmente unabhängig voneinander ansteuerbar und bewegbar. Sie können jedoch auch im Rahmen der Erfindung je nach herzustellendem Bauteil bzw. Werkstück, kombiniert und/oder zeitversetzt angesteuert werden. Durch die Mehrteiligkeit ist es möglich, Abschnitte innerhalb eines herzustellenden Werkstückes derart vorzuformen, dass diese faltenfrei und rissfrei umgeformt werden. Hieran anschließend können weitere Abschnitte des herzustellenden Werkstückes durch Absenken weiterer Segmente umgeformt werden, deren Formgebung in Relation weniger komplex ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß bildet sich zwischen dem geschlossenen Unterwerkzeug und Oberwerkzeug ein Formhohlraum aus. Die jeweilige Höhe des Formhohlraumes, also der jeweilige punktuelle Abstand zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug, variiert dabei innerhalb des gesamten Formhohlraumes. Durch die Variation der Höhe des Formhohlraumes ist es möglich, verschiedene Wanddicken innerhalb eines Bauteils herzustellen. Hierdurch wird beispielsweise Fasermaterial und/oder Kleber, Harz oder Primer von flacheren Stellen an Stellen mit hierzu korrespondierender größerer Höhe durch den Umformprozess gedrückt bzw. verdrängt. Ein weiterer Vorteil ist, dass unter Umständen mehr Faserwerkstoff und Matrixmaterial anstelle höherer Komplexität verbleiben kann. Hierdurch wird ein Abscheren oder gar Reißen des Werkstoffes verhindert.
Besonders bevorzugt ist dabei die Höhe, jeweils in Abhängigkeit des örtlichen Umformgrades, gewählt. In Relation zu dem gesamten Werkstück ist es unter Umständen sinnvoll, bei starken und hohen Umformgraden mehr Matrixmaterial anzusammeln, so dass hier die Streckung der Fasern durch mehr Kleber oder Matrixmaterial kompensiert werden kann. Weiterhin kann durch andere Umformgrade die Faserdichte derart durch den Umformprozess verändert werden, dass an den Stellen größerer Umformgrade mehr Faserwerkstoff bereitgestellt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist das Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug temperierbar oder der Vorrichtung ist eine Heizeinrichtung zugeordnet. Die Temperierbarkeit ist dabei so gewählt, dass es möglich ist, das Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug einzeln zu temperieren, so dass hier ein Heizen oder aber auch ein Abkühlen möglich ist. Die Aufheizung des Werkstückes bzw. der Faserlagen erfolgt dabei bis auf einen Temperaturbereich von vorzugsweise 100° bis 150°C, so dass eine Aktivierung des auf die einzelnen Faserlagen aufgetragenen Binders erfolgt. Bevorzugt wird eine Aufheizung auf einen Temperaturbereich von 110° bis 130°C sichergestellt, insbesondere auf 115° bis 125°C. Danach ist es auf Grund der Temperierbarkeit möglich die Temperiereinrichtungen auch zum Abkühlen zu nutzen. Vorzugsweise erfolgt dabei bereits während und/oder nach dem Umformen eine Abkühlung auf mindestens 100°C, bevorzugt weniger als 80°C und insbesondere weniger als 70°C, ganz besonders bevorzugt wird auf ca. 60°C abgekühlt, wonach dann die erfindungsgemäße Vorrichtung geöffnet wird und das Preformbauteil entnommen werden kann. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich durch die Temperiereinrichtung bis auf Raumtemperatur abzukühlen.
Unter einer Heizeinrichtung ist beispielsweise eine punktuelle oder aber vollflächige Erwärmung der vorbereiteten Faserwerkstoffbahnen zu verstehen. Beispielsweise kommen hier Induktionshärten, Infrarothärten, Induktionserwärmung, Infraroterwärmung, Heizstrahlererwärmung, Plattenerwärmung, Mikrowellenerwärmung oder ähnliche Wärmeerzeuger zum Einsatz.
Vorzugsweise wird die Faserwerkstoffbahn und/oder mehrere übereinander geschichtete Faserwerkstoffbahnen erwärmt und anschließend, insbesondere bei den Spannrahmen zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug, positioniert, so dass vor, während oder nach dem Umformen eine zumindest Teilaushärtung oder gänzliche Aushärtung des herzustellenden Faserverbundwerkstückes realisiert wird. Insbesondere zwischen Faserwerkstoffbahn gebrachtes Matrixmaterial, Klebstoff, Primer oder Bindemittel wird durch die Heizeinrichtung derart aktiviert, dass ein Härteprozess stattfindet.
Im Anschluss hieran beginnt ein Aushärtevorgang, der von wenigen Sekunden über mehrere Minuten, bis hin zu einigen Stunden dauern kann. Im Falle einer länger andauernden Härtungszeit, wird das Werkstück bereits teilgehärtet aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnommen. So kann bereits bei einem Aushärtegrad von 30%, 40%, 50% oder gar 60% das Faserverbundwerkstück entnommen werden. Wichtig ist je nach herzustellender Geometrie, dass nach dem Umformen die Zielgeometrie erhalten bleibt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung sind das Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug selbst, zumindest abschnittsweise, temperierbar. Hierunter ist eine zumindest partielle bzw. abschnittsweise Beheizung des Oberwerkzeuges und/oder Unterwerkzeuges zu verstehen. Auch die einzelnen Teile eines mehrteilig ausgebildeten Oberwerkzeuges und/oder Unterwerkzeuges sind wiederum abschnittsweise und/oder vollflächig beheizbar. Im Rahmen der Erfindung können hier Wärmeplatten, beispielsweise Keramikeinleger oder ähnliches, in den Werkzeugen selber angeordnet sein. Es ist auch vorstellbar, Induktionsspulen oder aber Kanäle zur Durchleitung eines wärmeabgebenden Fluides in entsprechenden Abschnitten anzuordnen, so dass hier zumindest partiell eine Erwärmung des Werkzeuges erfolgen kann.
Im Rahmen der Erfindung ist der Vorrichtung weiterhin eine Beschneideeinrichtung zugeordnet, vorzugsweise ist die Beschneideeinrichtung derart ausgebildet, dass bei geschlossener Vorrichtung überstehende Ränder des Faserverbundwerkstückes abschneidbar sind. Die einfachsten Ausführungsvarianten sind an dem außenliegenden Teil des sich absenkenden Oberwerkzeuges oder in dem Werkzeug ist an zu erstellenden Ausschnitten des Werkstückes ein Werkzeug angeordnet, dass die überstehenden Faserwerkstoffbahnen abschert bzw. schneidet. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um messerartige Klingen. Die Beschneideeinrichtung kann jedoch auch separat von dem Werkzeug verfahren werden, so dass erst bei vollständig geschlossenem Oberwerkzeug und Unterwerkzeug ein Beschneidevorgang ausgeführt wird. Ebenfalls ist es möglich, den Beschneidevorgang erst nach Abschluss des Umformprozesses und nach gewisser Aushärtezeit des Faserverbundwerkstückes bei geschlossenem Werkzeug durchzuführen.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, Durchbrüche oder Löcher in dem herzustellenden Werkstück mit einzubringen. Hierzu können beispielsweise Umformdorne oder aber Stanzwerkzeuge aber auch beispielsweise Bohrer, Fräsen oder ähnliches in dem Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug integriert sein. Diese können beispielsweise aufgrund der Mehrteiligkeit mindestens eines der zuvor genannten Werkzeuge mit eingebracht werden. Ebenfalls ist es möglich, ein Werkzeugteil zu öffnen und einen Nachbearbeitungsvorgang durchzuführen, wohingegen die anderen Teile geschlossen bleiben und das herzustellende Werkstück weiterhin in Position hält. Hierdurch kann die Zeit für eine Nachbearbeitungsoperation gesenkt werden, unter Ausnutzung der Aushärtezeit, bei hoher Genauigkeit, aufgrund nur einer Werkstückspannung.
Weiterhin wird ein Faserverbundwerkstoff erfindungsgemäß mit einem Verfahren hergestellt, wobei hier insbesondere mindestens eine Faserwerkstoffbahn mit einer Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Ausführungsvariante durchgeführt wird:

– Zuschneiden einer Faserwerkstoffbahn,
– Auftragen eines Binders auf die zugeschnittene Faserwerkstoffbahn,
– Einlegen der Faserwerkstoffbahn in die Vorrichtung, vorzugsweise Ablegen auf dem Unterwerkzeug,
– Absenken eines ersten Segmentes des Oberwerkzeuges,
– Fixieren der Faserwerkstoffbahn in dem Spannrahmen und Absenken des Spannrahmens, so dass die Faserwerkstoffbahn auf dem Unterwerkzeug fixiert wird, jedoch nicht durch Zugkraft gespannt wird,
– Absenken eines zweiten Segmentes des Oberwerkzeuges,
– Entnahme des Faserverbundwerkstückes.

Die bereits zuvor bei der Vorrichtung genannten Vorteile ergeben sich analog bei der Durchführung des Verfahrens. Insbesondere ist es hier erfindungswesentlich, dass die Faserwerkstoffbahn über den Spannrahmen gerade nicht vollständig gespannt ist, so dass diese unter Zugspannung steht, sondern dass die Faserbahn vor und auch während des Herstellungsprozesses gerade nicht unter Spannung steht, gleichzeitig jedoch durch den Spannrahmen lagefixiert gehalten wird. Hierdurch kommt es insbesondere bei, auf das Werkstück bezogen, relativ hohen Umformgraden nicht zu einer Abscherung oder Riss- bzw. Lochbildung innerhalb des herzustellenden Werkstückes. Durch die Mehrteiligkeit zumindestens von Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug ist es daher möglich, auch Werkstücke mit hohen Umformgeraden und komplexen Formgebungsgeometrien herzustellen, ohne dass Spezialfasern eingesetzt werden müssen, die hohe Dehnungseigenschaften aufweisen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit einem mindestens mehrteilig segmentierten Oberwerkzeug ist es daher möglich zunächst die Bereiche des herzustellenden Werkstückes umzuformen, die in Abhängigkeit des Werkstoffes die höchsten Umformgrade aufweisen und anschließend die Segmente des Werkzeuges zu schließen, die geringere Umformgrade an den herzustellenden Werkstücken umformen.
Insbesondere werden im Rahmen der Erfindung Faserwerkstoffbahnen verarbeitet, die mehr als dreilagig, besonders bevorzugt mehr als fünflagig und insbesondere mehr als achtlagig zugeschnitten und unter Hinzufügen von Binder übereinander gelegt werden. Das Zuschneiden wird im Rahmen der Erfindung als grober Vorlagenzuschnitt angesehen, so dass bei geschlossenem Werkzeug ein geringer Restüberstand zur Einhaltung der hinreichenden Genauigkeit vorhanden ist.
Insbesondere werden die Faserwerkstoffbahnen vor dem Verfahren durch Hinzufügen eines Binders, welches beispielsweise ein Matrixharz, ein Primer oder ein sonstiges Aushärtungsmittel oder Klebstoff sein kann, gekoppelt. Gegebenenfalls erfolgt hierdurch eine gewisse Vorverfestigung, so dass die übereinander geschichteten Faserbahnen analog zu einer Knetmasse vorformar sind, ohne auszuhärten jedoch in ihrer endgültigen Form noch veränderlich bleiben. Hierdurch kann im Rahmen der Erfindung eine Vorformung, insbesondere auf das herzustellende Werkstück mit relativ hohen Umformgraden stattfinden, so dass die eigentliche Umformung bzw. Scherbeanspruchung nicht zu einer Lochbildung oder einem Spannungsriss führt.
Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich Umformgrade mit einem Höhensprung, wobei der Höhensprung maßgeblich in Werkzeugschließrichtung zu sehen ist, von mehr als 10 cm, insbesondere mehr als 20 cm, besonders bevorzugt mehr als 30 cm, ganz besonders bevorzugt mehr als 50 cm, insbesondere von bis zu 100 cm herzustellen. Der Umformgrad kann dabei, wie bereits gesagt, in Werkzeugschließrichtung die vorgenannten Werte haben und quer zur Werkzeugschließrichtung eine Ausdehnung von bis zu mehreren Zentimetern besitzen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weiterhin insbesondere die Faserwerkstoffbahnen durch Hilfswerkzeuge in Position gehalten, insbesondere werden hier Schaumstoffblöcke und/oder Sandpapier eingesetzt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Faserwerkstoffbahnen durch ein Hilfswerkzeug gehalten, welches mit Unterdruck betätigbar ist.
Durch die Hilfswerkzeuge ist eine Lagefixierung möglich, bei gleichzeitig absenkbarem Werkzeug. Die Hilfswerkzeuge können dann entweder aktiv entfernt werden oder aber passiv durch Absenken des Werkzeuges herausgedrückt werden. Gegebenenfalls ist es auch vorstellbar, dass die Hilfswerkzeuge im Rahmen der Erfindung innerhalb der Vorrichtung verbleiben und den Produktionsprozess nicht beeinflussen. Ein zu starkes Durchhängen oder Herabhängen, was wiederum zu einem Riss und/oder einer Lochbildung innerhalb eines herzustellenden Werkstückes führen kann, wird durch das lösbare bzw. lockere Halten über die Hilfswerkzeuge vermieden.
Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung derart ausgelegt, dass beim Herstellungsverfahren ein erster Werkzeugteil, also ein erstes Werkzeugsegment, die Umformabschnitte innerhalb des herzustellenden Werkstückes zuerst umformt, wobei diese Umformabschnitte, die auf das herzustellende Werkstück bezogen, höchsten Umformgrade besitzen. Hierdurch wird sichergestellt, dass zunächst ein ausreichendes Nachrücken bzw. Nachfließen des die Umformabschnitte umgebenden Werkstoffes sichergestellt ist, ohne Riss und/oder Lochbildung.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird weiterhin ein zweites Segment zur Umformung abgesenkt, wobei das zweite Segment zumindest bereichsweise innerhalb des ersten Segmentes angeordnet ist. Durch das Absenken eines ersten Segmentes, mit den auf das Werkstück bezogenen höchsten Umformgraden, werden Bereiche innerhalb des herzustellenden Werkstückes eingeschlossen und gespannt, wobei durch das Absenken eines zweiten Segmentes diese Bereiche derart umgeformt werden, dass es hier möglichst nicht zur Falten- oder Wellenbildung kommt und eine produktionsgenaue Zielgeometrie eingenommen wird.
Im Rahmen der Erfindung wird anschließend ein drittes Segment abgesenkt, wobei die Absenkung des dritten Segmentes auch parallel mit der Absenkung des zweiten Segmentes erfolgen kann, wobei das dritte Segment im Wesentlichen die äußeren Bereiche des herzustellenden Werkstückes formt. Gegebenenfalls auftretende Weilen oder Falten können somit in die äußeren Randbereiche des Werkstückes abgegeben bzw. gedrückt werden. Das Werkstück selber ist somit produktionssicher weitestgehend wellen- bzw. faltenfrei ausgeformt.
Im Rahmen der Erfindung werden vorzugsweise bei geschlossener Vorrichtung im weiteren Verfahren die überstehenden Ränder der Faserwerkstoffbahn abgeschnitten. Vorzugsweise erfolgt dieser Verfahrensschritt während und/oder kurz nach der Umformung des herzustellenden Bauteils oder Werkstückes. Das Abschneiden bereits während des Formungsprozesses ermöglicht die Koppelung der Schneidvorrichtung an das Formwerkzeug selber. Hierdurch wird gesonderte Aktuatorik eingespart, weshalb die Kosten des Werkzeugbaus gesenkt werden. Ein Beschneiden der überstehenden Ränder nach Umformung des herzustellenden Werkstückes erhöht die Genauigkeit, da beim Aushärten gewisse geometrische Ausdehnungen oder Schrumpfungen erfolgen, welche durch ein auf die Aushärtung zeitoptimiert angesetzten Schneidvorgang derart kompensiert werden können, dass die Maßhaltigkeit bezüglich der äußeren geometrischen Abmessungen auf die Formgebungsgeometrie abgestimmt ist. Hierdurch steigen die Produktionsgenauigkeiten von Werkstücken, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche. Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf dieser Vorrichtung ist in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in geöffnetem Zustand;
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit abgesenkten ersten Werkzeugteilen;
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit abgesenkten weiteren Werkzeugteilen;
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung kurz vor Fertigstellung der Umformung eines Faserverbundwerkstückes und
5 einen erfindungsgemäßen Faserlagenstapel mit sieben Faserlagen.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Faserverbundwerkstückes, aus mindestens einer Faserwerkstoffbahn 2. Die Vorrichtung 1 weist dazu ein Oberwerkzeug 3 und ein Unterwerkzeug 4 auf. Des Weiteren ist ein separat von Oberwerkzeug 3 und Unterwerkzeug 4 angeordneter Spannrahmen 5 Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Dargestellt in 1 ist eine schematische Faserwerkstoffbahn 2, die jedoch auch aus mehreren übereinander gelegten Faserwerkstoffbahnen 2 bestehen kann.
Das Unterwerkzeug 4 weist Umformbereiche 6 auf, die relativ bezogen auf das herzustellende Faserverbundwerkstück hohe Umformgrade haben. Hierzu korrespondierend weist das Oberwerkzeug 3 Stempel 7 auf, die in diese Umformbereiche 6 mit hohen Umformgraden eingefahren werden. Weiterhin sind hier exemplarisch in dem Unterwerkzeug 3 Temperiereinrichtungen 8 angeordnet, die das herzustellende Werkstück, zumindest abschnittsweise, temperieren.
Das Oberwerkzeug 4 ist erfindungsgemäß aus drei Teilen ausgebildet, wobei ein erster Teil durch ein Mittelsegment 9, ein zweiter Teil durch ein Zwischensegment 10, welches in der schematischen Schnittdarstellung als zwei Zwischensegmente 10 zu sehen ist und ein dritter Teil durch ein Randsegment 11 gebildet ist.
In 2 ist das Zwischensegment 10 zuerst abgesenkt worden, sodass in den Umformbereichen 6 mit hohen Umformgraden zunächst umgeformt wird. Damit die Faserwerkstoffbahn 2 gegenüber dem Werkzeug selbst nicht verrutscht, wird sie durch den Spannrahmen 5 sowie durch Hilfswerkzeuge 12 gehalten. In diesem Stadium ist in äußeren Bereichen 13 der Faserwerkstoffbahn 2 eine Zugspannung nahezu ausschließlich durch das Eigengewicht der Faserwerkstoffbahn 2 gegeben. In einem mittleren Bereich 14 ist eine leichte Wellenbildung angedeutet, sodass hier noch ausreichend Material der Faserwerkstoffbahn 2 verbleibt, damit produktionstechnisch sichergestellt ist, dass es aufgrund der hohen Umformgrade in den Umformbereichen 6 nicht zu einem Spannungsriss oder aber einer Lochbildung, insbesondere im mittleren Bereich 14, kommt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Mittelsegment 9 abgesenkt und formt den mittleren Bereich 14 in einem nächsten in 4 dargestellten Verfahrensschritt um. Weiterhin sind in dem Verfahrensschritt gemäß 3 die Hilfswerkzeuge 12 entfernt, sodass hier durch das Eigengewicht der Faserwerkstoffbahn 2 ein weiteres Vorformen und somit Anliegen der äußeren Bereiche 13 an dem Unterwerkzeug 3 hergestellt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt gemäß 4 werden die Randsegmente 11 abgesenkt. Hierdurch werden die äußeren Bereiche 13 weiter an das Unterwerkzeug 3 und somit zwischen Oberwerkzeug 4 und Unterwerkzeug 3 angeformt. An den Ecken sind Beschneideeinrichtungen 15 angedeutet, die bei einem vollständigen Absenken des Randsegmentes 11 zu einem Beschneiden der Ränder der äußeren Bereiche 13 des Werkstückes führen würden. Weiterhin dargestellt ist bei vollständig geschlossenem Mittelsegment 9 und Zwischensegment 10 die unterschiedliche Höhe H des Formhohlraums 16. Hierdurch wird sichergestellt, dass es in den Umformbereichen 6 und dem mittleren Bereich 14 nicht zu Spannungsrissen oder Lochbildungen an dem herzustellenden Faserverbundwerkstück 17 kommt.
5 zeigt einen erfindungemäßen Aufbau von mehreren Faserwerkstoffbahnen. Hierbei ist eine erste Lage L1 in einer Faserrichtung von plus 45° orientiert ausgerichtet. Eine zweite Lage L2 ist mit einer Faserrichtung von minus 45° orientiert ausgerichtet. Eine Lage drei bis Lage fünf L3, L4, L5 haben jeweils eine 0° Orientierung der Faserrichtung. Die Lage sechs L6 weist wiederum eine minus 45° orientierte Faserrichtung auf. Und die Lage sieben L7 weist wiederum eine plus 45° orientierte Faserrichtung auf. Zwischen den einzelnen Lagen L1 bis L7 wird zumindest abschnittsweise ein Binder aufgetragen, so dass diese mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Preform umgeformt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Faserwerkstoffbahn
3: Oberwerkzeug
4: Unterwerkzeug
5: Spannrahmen
6: Umformbereich hoher Umformgrad
7: Stempel
8: Temperiereinrichtung
9: Mittelsegment
10: Zwischensegment
11: Randsegment
12: Hilfswerkzeug
13: äußerer Bereich
14: mittlerer Bereich
15: Beschneideeinrichtung
16: Formhohlraum
17: Faserverbundwerkstück
H: Höhe
L1: Lage
L2: Lage
L3: Lage
L4: Lage
L5: Lage
L6: Lage
L7: Lage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19922799 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung (1) zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes (17), insbesondere aus mindestens einer Faserwerkstoffbahn (2), wobei die Vorrichtung (1) ein Oberwerkzeug (3) und ein Unterwerkzeug (4) sowie einen Spannrahmen (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug (3) und/oder das Unterwerkzeug (4) mindestens zweiteilig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Teile (9, 10, 11) separat voneinander bewegbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannrahmen (5) separat von dem Oberwerkzeug (3) und/oder Unterwerkzeug (4) bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserwerkstoffbahn (2) unter Zuhilfenahme des Spannrahmens (5) zwischen Oberwerkzeug (3) und Unterwerkzeug (4) platzierbar ist und/oder dass der Vorrichtung (1) eine Greifeinheit zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannrahmen (5) die Vorrichtung (1) zumindest abschnittsweise umlaufend umfasst, wobei der Spannrahmen (5) auf eine Vertikalrichtung bezogen oberhalb der äußeren Profilierungen des Unterwerkzeuges (4) angeordnet ist, so dass die Faserwerkstoffbahn (2) durchhängt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug (3) aus drei Teilen (9, 10, 11) ausgebildet ist, wobei ein Mittelsegment (9), ein Zwischensegment (10) und ein Randsegment (11) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Unterwerkzeug (4) und Oberwerkzeug (3) ein Formhohlraum (16) gebildet ist, wobei eine Höhe (H) des Formhohlraumes (16) variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) jeweils in Abhängigkeit des örtlichen Umformgrades gewählt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug (3) und/oder Unterwerkzeug (4) temperierbar ist oder dass der Vorrichtung (1) eine Temperiereinrichtung (8) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung (1) eine Beschneideeinrichtung (15) zugeordnet ist, vorzugsweise ist die Beschneideeinrichtung (15) derart ausgebildet, dass bei geschlossener Vorrichtung (1) überstehende Ränder des Faserverbundwerkstückes (17) abschneidbar sind.
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes (17) aus mindestens einer Faserwerkstoffbahn (2) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit folgenden Verfahrensschritten: – Zuschneiden einer Faserwerkstoffbahn (2), – Auftragen eines Binders auf die zugeschnittene Faserwerkstoffbahn (2), – Einlegen der Faserwerkstoffbahn (2) in die Vorrichtung (1), vorzugsweise Ablegen auf dem Unterwerkzeug (4), – Absenken eines ersten Segmentes (9, 10, 11) des Oberwerkzeuges (3), – Fixieren der Faserwerkstoffbahn (2) in dem Spannrahmen (5) und Absenken des Spannrahmens (5), so dass die Faserwerkstoffbahn (2) auf dem Unterwerkzeug (4) fixiert wird, jedoch nicht durch Zugkraft gespannt wird, – Absenken eines zweiten Segmentes (9, 10, 11) des Oberwerkzeuges (3), – Entnahme des Faserverbundwerkstückes (17).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Faserwerkstoffbahnen (2), insbesondere mehr als 3, bevorzugt mehr als 5 und besonders bevorzugt mehr als 8 Faserwerkstoffbahnen (2) zugeschnitten und unter Hinzufügen von Binder übereinander gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserwerkstoffbahnen (2) durch Hilfswerkzeuge in Position gehalten werden, vorzugsweise durch Schaumstoffblöcke und/oder Sandpapier.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Segment (10) die Uniformabschnitte (6) des herzustellenden Faserverbundwerkstückes (17) zuerst umformt, die die auf das herzustellende Werkstück bezogen höchsten Umformgrade besitzen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Segment (9) zur Umformung abgesenkt wird, wobei das zweite Segment (9) zumindest bereichsweise in dem ersten Segment (10) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Segment (11) abgesenkt wird, wobei das dritte Segment (11) im Wesentlichen die äußeren Bereiche des herzustellenden Faserverbundwerkstückes (17) formt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossener Vorrichtung (1) die überstehenden Ränder des Faserverbundwerkstückes (17) abgeschnitten werden, vorzugsweise werden die Ränder während oder kurz nach Absenken des dritten Segmentes (11) abgeschnitten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserwerkstoffbahnen (2) vor Einlegen in die Vorrichtung (1) aufgeheizt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 110°C und 130°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserwerkstoffbahnen (2) in der Vorrichtung (1) aufgeheizt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 110°C und 130°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserwerkstoffbahnen (2) während oder nach dem Umformprozess in der Vorrichtung (1) abgekühlt werden, vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb 100°C, bevorzugt unterhalb 80°C.