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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fertigung eines Kunststoffbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff.
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Kunststoffbauteile können durch schichtweises Ablegen von Polymerbändern erzielt werden, wobei sich dieses Herstellungsverfahren insbesondere zur Fertigung von Bauteilen aus Faserverbundkunststoffen z. B. in der Luft- und Raumfahrttechnik eignet. Bei diesem Herstellungsverfahren, das auch als Tape legen (tape placement) bezeichnet wird, besteht aufgrund hoher Fertigungskosten ein großer Bedarf die Automatisierung voranzutreiben.
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Während der Fertigung werden Polymerbänder oder Prepregmaterial auf eine Form, also eine Werkzeugoberfläche, automatisiert abgelegt, angedrückt und gegebenenfalls anschließend geschnitten. Zur Herstellung von flächigen Bauteilen werden mehrere Polymerbänder nebeneinander Stoß an Stoß abgelegt. Die Dicke des Bauteils wird durch Ablegen mehrerer Lagen von Polymerbändern übereinander erzeugt. Auf diese Weise können auch lokale Bauteilverstärkungen realisiert werden, z. B. durch Ausbildung einer Rippenstruktur.
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Die automatisierte Herstellung von Verbundbauteilen mit einer unebenen Oberfläche durch Ablage von Polymerbändern ist insbesondere durch das Problem der Erstlagenfixierung gekennzeichnet.
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Die Form der Bauteile wird in der Regel durch ein vorzugsweise metallisches Werkzeug vorgegeben. Da die Polymerbänder insbesondere bei einer stark gekrümmten Bauteilgeometrie für die Fixierung der ersten Lage auf dem Werkzeug nicht hinreichend anhaften, muss für die Fixierung der ersten flächig nebeneinander abgelegten Polymerbänder sowie gegebenenfalls darüber hinaus auch während der Ablage von weiteren Schichten für die Anhaftung des herzustellenden Bauteils an der Werkzeugoberfläche gesorgt werden.
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Insbesondere bei faserverstärkten Polymerbändern treten in Abhängigkeit von der Kontur der Werkzeugoberfläche sehr unterschiedliche Eigenspannungen auf. Die Anhaftkraft für die Polymerbänder sollte aber in jedem Punkt der Werkzeugoberfläche so groß sein, dass ein selbstständiges Lösen der Polymerbänder von der Werkzeugoberfläche nicht möglich ist. Zu den geometrisch eingebrachten Eigenspannungen der Polymerbänder kommen gegebenenfalls noch Eigenspannungen hinzu, die durch den Herstellungsprozess selber eingebracht werden und ebenfalls ein Ablösen der abgelegten Polymerbänder hervorrufen können. Im Weiteren ist zu beachten, dass die Anhaftkraft für die Polymerbänder nicht zu groß ist, da sonst Probleme beim Lösen des Bauteils von der Werkzeugoberfläche entstehen. Zur Lösung der Anhaftung der Erstlage sind verschiedene Ansätze bekannt.
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Ein Verfahren zum Ablegen von Thermoplastbändern offenbart die
DE 101 29 514 A1 . Eine Werkzeugplattform wird auf einen Bereich von 50°C unterhalb bis 40°C oberhalb der Kristallisationstemperatur des zu verarbeitenden Thermoplasts temperiert, um ein Anhaften der abgelegten Thermoplastbänder zu erreichen. Die Anhaftung reduziert sich beim Abkühlen der Werkzeugplattform, wodurch ein leichtes Ablösen der abgelegten Thermoplastbänder ermöglicht ist.
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Im Weiteren beschreibt die
DE 10 2009 017 112 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, bei dem Polymerbänder aus einem ersten Polymermaterial auf einer Ablagefläche eines Ablageelementes abgelegt werden, das aus dem ersten Polymermaterial oder einem zweiten Polymermaterial besteht und im Bauteil verbleibt. Das Ablageelement wird erwärmt und an einer Oberfläche eines Formgebungswerkzeuges gegebenenfalls mittels eines Unterdrucks beziehungsweise eines Presswerkzeuges angeformt.
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Ferner ist aus der
DE 10 2009 060 696 A1 bekannt, eine Ablegefolie mittels eines Unterdrucks an die Oberfläche des Formgebungswerkzeuges anzulegen und auf die Ablegefolie Kunststoffbändchen abzulegen, wobei die Ablegefolie nach der Bauteilherstellung entfernt wird.
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Darüber hinaus ist es aus der Praxis bekannt, einen zum Fixieren und Aushärten einer herzustellenden Struktur erforderlichen Druck, insbesondere bei der Verwendung einer offenen Form, mittels eines auf den Faserverbundwerkstoff bzw. das Bauteil aufzubringenden Vakuums aufzubringen, wobei das herzustellende Bauteil von einer Vakuumfolie einerseits und dem Formwerkzeug andererseits eingeschlossen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die vorstehend erläuterten Probleme bezüglich der Anhaftung von Faserbändern der ersten Lage auf einer abzubildenden Oberfläche löst.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
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Bei einem Verfahren zur Fertigung eines Kunststoffbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wird zunächst auf der Oberfläche einer eine Bauteiloberfläche abbildenden Form eine poröse oder permeable Schicht als Träger einer Kunststofffolie aufgelegt, anschließend die als Adhäsionsfolie ausgebildete Kunststofffolie, die in ihrer Dicke geringer als 150 µm bemessen ist, in die Form zur Fertigung einer komplexen Bauteilgeometrie eingelegt und mittels eines Unterdrucks an die Oberfläche der Form angelegt und anschließend wird mindestens ein Faserband auf der Kunststofffolie abgelegt, wobei das Faserband während des Ablegens oder unmittelbar danach mit einer beheizten Anpressrolle an der Kunststofffolie angedrückt wird oder ein Bereich des abgelegten Faserbandes unmittelbar vor der Anpressrolle beheizt wird.
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Es hat sich gezeigt, dass zwischen der Kunststofffolie, die sich durch ein Vakuum in engstem Kontakt mit der Oberfläche der Form, also des Werkzeugs zur Herstellung bzw. Abformung des Bauteils, befindet, und dem darauf abgelegten Faserband eine hohe Adhäsionskraft wirkt, die ein zur Fertigung einer komplexen Bauteilgeometrie erforderliches Anhaften des Faserbandes sicherstellt und dementsprechend ein Abgleiten des Faserbandes verhindert. Die Kunststofffolie kann bei diesem Verfahren zu einem Bestandteil des fertigen Kunststoffbauteils werden und dessen Oberfläche bilden. Somit stellt die Kunststofffolie nicht nur das Anhaften des Faserbandes sicher, sondern auch die Trennung des Bauteils von der Oberfläche der Form nach Beendigung des Formgebungsprozesses. Im Weiteren kann die Kunststofffolie beispielsweise durch eine entsprechende Modifikation mit Füllstoffen erwünschte Eigenschaften aufweisen, beispielsweise aufgrund des Zuschlages von Ruß elektrisch leitfähig sein. Die Kunststofffolie kann auch zur Gestaltung der Oberfläche dienen und vorzugsweise sehr feine Strukturen in der Oberfläche der Form abbilden, die durch das Faserband nicht dargestellt werden können, da das Faserband nicht derart genau abbildet. Solche feinen Strukturen werden vorzugsweise durch Ätzen hergestellt, wobei die Strukturierung dem Fachmann auf dem Gebiet des Formenbaus bekannt ist.
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Das im Rahmen der Erfindung verwendete Faserband kann beispielsweise als ein Polymerfaserband oder ein Prepreg, also beliebig vorimprägnierte Fasern, ausgebildet sein. Das Faserband wird mit einem Handhabungsgerät gezielt auf der Kunststofffolie abgelegt und nach dem Ablegen erfolgt ein Konsolidieren, beispielsweise unter Einsatz eines Vakuums, insbesondere in einem Autoklav, und gegebenenfalls unter Zufuhr von Wärme. Selbstverständlich kann auch ein Presswerkzeug zum Einsatz kommen.
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Zum Ansaugen der Kunststofffolie auf der Oberfläche der Form weist die Form entsprechende Luftkanäle auf, die mit einer einen Unterdruck erzeugenden Vorrichtung verbunden sind. Um den Unterdruck zwischen der Kunststofffolie und der Oberfläche der Form herzustellen und zu halten, liegt die Kunststofffolie umfangsseitig abgedichtet an der Form an bzw. wird abgedichtet an der Form gehalten. Eine zweckmäßige Dichtung kann sowohl Bestandteil der Form als auch der Kunststofffolie sein. Selbstverständlich ist auch ein peripheres Andrücken der Kunststofffolie auf oder an der Form, insbesondere mittels eines Spannelementes, möglich.
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Bei der Kunststofffolie handelt es sich um eine sehr dünne so genannte Adhäsionsfolie mit einer Dicke kleiner 150 µm, die durch das Vakuum in engen Kontakt mit der Oberfläche der Form gebracht wird, wobei dann verhältnismäßig hohe molekulare Anziehungskräfte zwischen den jeweils benachbarten Oberflächen der Form und der Kunststofffolie einerseits sowie der Kunststofffolie und den Faserbändchen andrerseits wirken.
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Auf der Oberfläche der Form wird eine poröse oder permeable Schicht als Träger der Kunststofffolie aufgelegt. Die poröse oder permeable Schicht bildet eine Lage zwischen der Form und der Kunststofffolie und bewirkt eine Distanz zwischen der Oberfläche der Form und der Kunststofffolie, die ein Absaugen der in diesem Bereich vorhandenen Luft ermöglicht. Bei der porösen oder permeablen Schicht kann es sich beispielsweise um einen offenzelligen Schaumstoff oder ein textiles Gewebe handeln.
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Das Faserband wird während des Ablegens oder unmittelbar danach mit einer Anpressrolle an der Kunststofffolie angedrückt. Die Anpressrolle wird dem das Faserband auf der Oberfläche der Form ablegenden Handhabungsgerät nachgeführt und presst das Faserband auf die sehr dünne Kunststofffolie, an der es anhaftet. Die Anpressrolle kann eine flexible Oberfläche aufweisen oder insgesamt über ihre Breite flexibel gestaltet sein und beispielsweise einen lamellaren Aufbau aufweisen, wobei jede mit einer Kraft beaufschlagte Lamelle der Anpressrolle mit annähernd gleicher Kraft auf die Fasern bzw. das Faserband einwirkt.
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Durch das Beheizen der Anpressrolle werden das insbesondere mit einem thermoplastischen Polymer getränkte Faserband sowie die darunter angeordnete Kunststofffolie lokal angeschmolzen und die Kunststoffmaterialien der einzelnen Komponenten vermischen sich, wobei gegebenenfalls auch chemische Verbindungen zwischen den Materialien entstehen können. Insgesamt ist es erforderlich, dass die Kunststofffolie und das Faserband eine ein Verrutschen ausschließende Haftung bzw. Mischbarkeit aufweisen.
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Alternativ zur Erwärmung des Faserbandes über die beheizte Anpressrolle wird ein Bereich des abgelegten Faserbandes unmittelbar vor der Anpressrolle beheizt. Das Beheizen des abgelegten Faserbandes bzw. des Faserbandes, das unmittelbar nach seiner Erwärmung abgelegt werden soll, kann einer beliebigen Heizeinrichtung, beispielsweise mittels eines Lasers oder mit Hilfe einer Heizgasdüse, erfolgen. Die Heizeinrichtung wird unmittelbar vor der Anpressrolle über das Faserband geführt.
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Zur Erzeugung einer gewünschten Bauteildicke wird das Faserband im mehreren Schichten in die Form eingelegt. Zweckmäßigerweise wird das Faserband unter Vakuum konsolidiert.
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Durch die Anwendung des zuvor erläuterten Verfahrens ist es möglich, Kosten für die Form, also das Werkzeug, erheblich zu reduzieren, da unter anderem die Form nicht in jedem Fall beheizbar sein muss. Es ist auch nicht erforderlich, eine Form aus Metall und mit einer hohen Oberflächengüte sowie gegebenenfalls einer Oberflächenbeschichtung einzusetzen. Höhere Produktionsraten lassen sich durch entfallende Aufheiz- und Abkühlzeiten sowie wesentlich reduzierte Beschickungszeiten erzielen, da insbesondere Arbeitsgänge entfallen, die für ein Anhaften der Faserbänder auf der Oberfläche der Form sorgen, wie beispielsweise das Auftragen von Klebstoff sowie dessen nachträgliches Entfernen.
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Im Weiteren gehen mit der Anwendung des erläuterten Verfahrens Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften des verfahrensgemäß gefertigten Bauteils einher, da durch ein verhältnismäßig schnelles Abkühlen ein relativ geringer Porengehalt und eine verhältnismäßig hohe Duktilität bei einer reduzierten Kristallinität erzeugt wird.
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Die Kunststofffolie stellt eine Diffusionssperre dar und kann bei einer entsprechenden Strukturierung der Oberfläche eine Reduzierung des Strömungswiderstands bewirken oder zu einer verminderten Eisbildung führen, was sich bei einer Verwendung des verfahrensgemäß hergestellten Bauteils als Flugzeugtragfläche, Rotorblatt einer Windkraftanlage, Karosseriebauteil eines Zuges oder Kraftfahrzeuges positiv auswirken kann. Darüber hinaus kann das Verfahren eine Erhöhung der Schlagzähigkeit oder einen relativ hohen Verschleißwiderstand des verfahrensgemäß gefertigten Bauteils bewirken. Die entsprechende Füllstoffe aufweisende Kunststofffolie kann die elektrische Leitfähigkeit des Bauteils erhöhen, wodurch sich ein gewünschtes Verhalten einer Flugzeugtragfläche bei einem Blitzschlag einstellen lässt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer im Rahmen des Verfahrens nach der Erfindung verwendeten Anordnung zur Herstellung eines Kunststoffbauteils.
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Zur Fertigung eines Kunststoffbauteils wird eine Form 1 verwendet, die mit Luftkanälen 2 versehen ist, wobei die Lüftungskanäle 2 mit einer Strömungsmaschine 3 zur Erzeugung eines Unterdrucks gekoppelt sind. Die Oberfläche 4 der Form 1 bildet die Oberfläche des herzustellenden Kunststoffbauteils ab, das im Wesentlichen aus konsolidierten Faserbändern 5 besteht, die einen Faserverbundwerkstoff bilden. Auf der Oberfläche 4 der Form 1 befindet sich eine permeable Schicht 6, beispielsweise eine Gewebematte, als Träger für eine Kunststofffolie 7, die unter Zwischenanordnung einer randseitigen Dichtung 8 auf der Oberfläche 5 der Form 1 aufliegt. Zwischen der Kunststofffolie 7 und der Oberfläche 4 der Form 1 wird mittels der Strömungsmaschine 3 ein Unterdruck erzeugt, wobei das Absaugen der in diesem Bereich vorhandenen Luft durch die permeable Schicht 6 begünstigt ist. Nachdem der gewünschte Unterdruck anliegt, wird auf der Kunststofffolie 7 mittels eines verfahrbaren Handhabungsgerätes 9 das ein Polymer umfassende Faserband 5 als Erstlage abgelegt. Anschließend drückt eine verfahrbare Anpressrolle 10, die mit einer Temperiereinrichtung 11 verbunden ist, das Faserband 5 auf die Kunststofffolie 7. Durch die herrschende Temperatur und den auf das Faserband 5 einwirkenden Druck, schmilzt das Polymer des Faserbandes 5 an und verbindet sich mit der ebenfalls angeschmolzenen Kunststofffolie 7. Aufgrund der nunmehr wirkenden Bindungen zwischen dem Faserband 5 und der Kunststofffolie 7 ist nach dem unmittelbar erfolgenden Abkühlen ein Verrutschen des Faserbandes 5 relativ zu der Kunststofffolie 7 ausgeschlossen, wobei die Kunststofffolie 7 aufgrund des herrschenden Unterdruckes verhältnismäßig fest auf der Oberfläche 4 der Form 1 gehalten ist. Auf die erste Lage Faserbänder 5 können selbstverständlich weitere Lagen Faserbänder 5 aufgelegt werden die dann ebenfalls mittels der verfahr- und temperierbaren Anpressrolle 10 angedrückt werden, wobei sich das Polymer der einen Lage Faserbänder 5 mit dem Polymer der benachbarten Lage Faserbänder 5 verbindet.
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Alternativ oder zusätzlich zur beheizten Anpressrolle 10 kann, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist, zwischen der Anpressrolle 10 und dem Handhabungsgerät 9 eine Heizeinrichtung 12 angeordnet sein, die mit einem Heizgerät 13 zusammenwirkt, um das Polymer des Faserbandes 5 anzuschmelzen, wobei die Heizeinrichtung 12 beispielsweise als Laser oder Heizgasdüse ausgebildet ist und das auf der Oberfläche 4 der Form 1 abgelegte Faserband 5 bzw. das Faserband 5 unmittelbar vor der Kontaktierung der Oberfläche 4 der Form 1 und in jedem Fall vor der Einwirkung der Anpressrolle 10 zu beheizen.
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Wird ein hohes Maß an Energie zum Anschmelzen des Faserbandes 5 benötigt, ist es selbstverständlich möglich, sowohl die Anpressrolle 10 unmittelbar zu beheizen als auch der Anpressrolle 10 die Heizeinrichtung 12 vorzuschalten.
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In der Regel ist nach dem Abkühlen der Faserbänder 5 der Fertigungsprozess abgeschlossen. Selbstverständlich ist ein Konsolidieren, beispielsweise im Autoklav oder unter Verwendung einer die abgelegten Faserbänder 5 überspannenden Vakuumfolie oder eines Presswerkzeuges, gegebenenfalls unter Zufuhr von Wärme, nicht ausgeschlossen.
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Um das gegenseitige Anhaften zu begünstigen ist die Kunststofffolie 7 als eine Adhäsionsfolie ausgebildet, die aufgrund der wirkenden Adhäsionskraft zum einen an der Oberfläche 4 der Form 1 bzw. der permeablen Schicht 6 haftet und zum anderen das Faserband 5 beim Ablegen fixiert. Dadurch, dass die Kunststofffolie 7 in ihrer Dicke geringer als 150 µm bemessen ist, wird die Oberfläche 4 der Form 1 detailgenau abgebildet. Beim Entformen des Bauteils, also dem Entnehmen der konsolidierten Faserbänder 5 aus der Form 1 begünstigt die Kunststofffolie 7 die Trennung von der Oberfläche der Form bzw. der permeablen Schicht 6, die auch einen offenzelligen Schaumstoff umfassen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Form
- 2
- Luftkanal
- 3
- Strömungsmaschine
- 4
- Oberfläche
- 5
- Faserband
- 6
- Schicht
- 7
- Kunststofffolie
- 8
- Dichtung
- 9
- Handhabungsgerät
- 10
- Anpressrolle
- 11
- Temperiereinrichtung
- 12
- Heizeinrichtung
- 13
- Heizgerät
