DE102013003811A1

DE102013003811A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Flächenelementes aus Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102013003811A1
Application number: DE102013003811.1A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Schleicher
Original assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Current assignee: Ludwig Schleicher Ingenium GmbH and Co KG
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Es wird Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Flächenelementes aus Faserverbundwerkstoff und eine Vorrichtung (10) zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben, wobei mindestens ein Ausgangsflächenelement (16), bestehend aus mindestens einer Lage (18) eines Faserverbundwerkstoffs mit einer definierten Menge eines Harzes (28) versehen und das so hergestellte Zwischenprodukt (34) in einem Formwerkzeug (40) unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in die gewünschte dreidimensionale Gestalt umgeformt wird. Erfindungsgemäß wird das Zwischenprodukt (34) zur gleichmäßigen Verteilung des Harzes (28) über das mindestens eine Ausgangs-Flächenelement (16) ebenflächig vorgepresst, wonach das ebenflächige Zwischenprodukt (34) mit dem gleichmäßig verteilten Harz (28) in das Formwerkzeug (40) eingebracht und im Formwerkzeug (40) dreidimensional umgeformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Flächenelementes, wobei mindestens ein Ausgangsflächenelement, bestehend aus mindestens einer Lage eines Faserverbundwerkstoffs mit einer definierten Menge eines Harzes versehen wird, und das so hergestellte Zwischenprodukt in einem Formwerkzeug unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in die gewünschte dreidimensionale Gestalt umgeformt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8.
Zur Herstellung dreidimensionaler Flächenelemente aus Faserverbundwerkstoff wird bislang so vorgegangen, dass das mindestens eine Ausgangsflächenelement, besteht aus mindestens einer Lage eines Faserverbundwerkstoffes bzw. bestehend aus einer Anzahl Ausgangs-Flächenelemente, bestehend jeweils aus einer Anzahl Lagen mindestens eines Faserverbundwerkstoffes, mit einer definierten Menge eines Harzes versehen werden, wobei das Harz auf das jeweilige Ausgangsflächenelement in einem mittleren Flächenbereich aufgebracht wird. Ein um den Harzauftrag umlaufender Rahmenflächenbereich bleibt hierbei von Harz frei. Die mit Harz versehenen Ausgangsflächenelemente werden dann übereinander gestapelt. Der das entsprechende Zwischenprodukt bildende Stapel wird anschließend z. B. mit Hilfe eines Industrie-Roboters direkt und unmittelbar in das Formwerkzeug eingebracht und im Formwerkzeug bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur zum dreidimensionalen Flächenelement d. h. in die gewünschte dreidimensionale Gestalt umgeformt. Dabei sind jedoch Lufteinschlüsse und/oder Falten am fertigen dreidimensionalen Flächenelement oftmals nicht vermeidbar. Außerdem sind am hergestellten dreidimensionalen Flächenelement an dessen Randbereich unerwünschte Harzwülste, die auch als Harzfallen bezeichnet werden, bislang nicht vermeidbar.
Bei den Flächenelementen aus Faserverbundwerkstoff handelt es sich bspw. um Bauteile für Fahrzeuge. Der Faserverbundwerkstoff kann bspw. ein CFK-Werkstoff sein. Der CFK-Werkstoff kann eine bestimmte Faserorientierung besitzen. Desgleichen ist es möglich, dass der Faserverbundwerkstoff aus einem Recyclingmaterial mit kurzen Faserstücken o. dgl. besteht. Kombinationen von unidirektionalen Faserverbundwerkstoffen mit Recyclingmaterial sind ebenfalls möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben genannten Art zur Herstellung eines dreidimensionalen Flächenelementes aus Faserverbundwerkstoff zu schaffen, wobei auf einfache Weise Lufteinschlüsse im und/oder Falten am Flächenelement vermieden werden.
Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1, d. h. dadurch gelöst, dass das Zwischenprodukt zur gleichmäßigen Verteilung des Harzes über die mindestens eine Lage des Faserverbundwerkstoffes ebenflächig vorgepresst wird, wonach das ebenflächige Zwischenprodukt mit dem mindestens einlagigen Faserverbundwerkstoff gleichmäßig verteilten Harz in das Formwerkzeug eingebracht und im Formwerkzeug dreidimensional umgeformt wird.
Dadurch, dass erfindungsgemäß der mit dem Harz versehene Faserverbundwerkstoff nicht unmittelbar im Formwerkzeug umgeformt wird, sondern dass zuerst ein ebenflächiges Zwischenprodukt hergestellt wird, in welchem das Harz über die mindestens eine Lage des Faserverbundwerkstoffes gleichmäßig verteilt ist, ergeben sich die Vorteile, dass unerwünschte Lufteinschlüsse sowie ungewollte Falten am fertigen Produkt, d. h. am dreidimensionalen Flächenelement verhindert werden. Das Harz wird hierbei derartig dosiert, dass unerwünschte Harzwülste, d. h. Harzfallen, wie sie bislang in der Nachbarschaft des Formwerkzeuges außerhalb desselben, am Randbereich des dreidimensionalen Flächenelement vorhanden sind, sehr gering oder vernachlässigbar gering sind bzw. vermieden werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise mindestens zwei Ausgangs-Flächenelemente, die jeweils mindestens zwei Faserverbundwerkstoff-Lagen aufweisen, zum ebenflächigen Zwischenprodukt verpresst. Die mindestens zwei Faserverbundwerkstofflagen werden hierbei in Bezug zueinander derartig angeordnet, dass ihre Fasern vorzugsweise unterschiedliche Orientierungsrichtungen besitzen, um entsprechende mechanische Eigenschaften des fertigen, dreidimensionalen Flächenelementes zu erzielen. Selbstverständlich können die mindestens zwei Faserverbundwerkstoff-Lagen auch gleich orientierte Fasern aufweisen. Desgleichen ist es möglich, dass ein Recyclingmaterial mit kurzen Faserstücken zur Anwendung gelangt oder dass ein solches Recyclingmaterial mit Faserverbundwerkstofflagen kombiniert wird.
Bei dem erfindungsgemäß zur Anwendung gelangenden Harz handelt es sich zweckmäßigerweise um ein duroplastisches Turbo-Harz.
Bevorzugt kann es sein bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sein, wenn das mindestens eine Ausgangsflächenelement, bestehend aus mindestens einer Lage eines Faserverbundwerkstoffs zwischen einem Paar Kalanderwalzen mindestens annähernd lotrecht nach unten bewegt wird, wobei dem oberseitigen Einlassbereich des Kalanderwalzenpaares das Harz in einer definierten Menge zugeführt wird, und wenn das aus dem unterseitigen Ausgabebereich des Kalanderwalzenpaares lotrecht austretende Zwischenprodukt in einem definierten Abstand stromabwärts unter dem Kalanderwalzenpaar abgeschnitten und in ein vertikal orientiertes Formwerkzeug eingebracht und im Formwerkzeug dreidimensional zum flächigen Endprodukt umgeformt wird. Bevorzugt ist es hierbei, wenn mindestens zwei Ausgangsflächenelemente, bestehend aus mindestens zwei Faserverbundwerkstofflagen zwischen dem Kalanderwalzenpaar lotrecht nach unten bewegt werden.
Das Kalanderwalzenpaar kann hierbei für das Harz ein Dosierwalzenpaar bilden, dem noch mindestens ein Paar Presswalzen stromabwärts nachgeordnet sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Kalanderwalzenpaar selbst ein Presswalzenpaar bildet. Auch bei einer solchen Ausbildung der zuletzt genannten Art kann dem Kalanderwalzenpaar mindestens ein weiteres Presswalzenpaar nachgeordnet sein.
Dem Einlassbereich des Kalanderwalzenpaares kann das Harz kontinuierlich oder diskontinuierlich in einer definierten Menge zugeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist kontinuierlich durchführbar, woraus eine hohe Produktivität resultiert.
Demselben Zweck einer hohen Produktivität ist es dienlich, wenn ein vertikal orientiertes Mehrfach-Formwerkzeug verwendet wird, wobei das Kalanderwalzenpaar und das Mehrfach-Formwerkzeug relativ zueinander schrittweise horizontal verstellt werden. Dabei kann entweder das Mehrfach-Formwerkzeug in Bezug zum ortsfest vorgesehenen Kalanderwalzenpaar, dem ggf. mindestens ein Presswalzenpaar nachgeordnet ist, oder umgekehrt das Kalanderwalzenpaar, dem ggf. mindestens ein Presswalzenpaar nachgeordnet ist, schrittweise in Bezug zum ortsfest vorgesehenen Mehrfach-Formwerkzeug hin und her verstellt werden. Auf diese Weise ist es bspw. möglich, in einem Formwerkzeug des Mehrfach-Formwerkzeugs die dreidimensionale Umformung eines ebenflächigen Zwischenproduktes zu einem dreidimensionalen Flächenelement durchzuführen und gleichzeitig ein anderes Formwerkzeug des Mehrfach-Formwerkzeuges mit einem ebenflächigen Zwischenprodukt zu bestücken. Wird dann in diesem Formwerkzeug das ebenflächige Zwischenprodukt zu einem dreidimensionalen Endprodukt, d. h. dreidimensionalen Flächenelement umgeformt, kann das andere Formwerkzeug entleert und wieder mit einem ebenflächigen Zwischenprodukt bestückt werden. Diese Relativbewegung kann linear oder entlang einer Kreisbahn karussellartig erfolgen.
Erfindungsgemäß kann das/jedes an einer Vorratsrolle gelagerte bandförmige Ausgangs-Flächenelement von der zugehörigen Vorratsrolle kontinuierlich abgewickelt und dem Kalanderwalzenpaar zugeführt und durch dieses hindurch geleitet werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird vorrichtungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 8, d. h. dadurch gelöst, dass dem Formwerkzeug eine Presseinrichtung vorgeordnet ist, in der ein ebenflächiges Zwischenprodukt aus mindestens einem Ausgangsflächenelement aus mindestens einer Lage eines Faserverbundwerkstoffes hergestellt wird. Das ebenflächige Zwischenprodukt kann bspw. mit Hilfe eines Industrie-Roboters in das Formwerkzeug zum Umformen des Zwischenproduktes in die gewünschte dreidimensionale Gestalt eingebracht werden. Zweckmäßig kann es jedoch sein, wenn die Presseinrichtung ein Paar Kalanderwalzen zur Herstellung eines ebenflächigen lotrechten Zwischenproduktes aufweist, wenn in einen definierten Abstand unter dem Kalanderwalzenpaar eine Zwischenprodukt-Abschneideinrichtung vorgesehen ist, und wenn das zum Umformen des ebenflächigen Zwischenproduktes in die gewünschte dreidimensionale Gestalt vorgesehene Formwerkzeug vertikal orientiert unter der Abschneideinrichtung vorgesehen ist.
Bei einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der zuletzt genannte Art kann es vorteilhaft sein, wenn das Formwerkzeug als vertikal orientiertes Mehrfach-Formwerkzeug ausgebildet ist, und wenn das Kalanderwalzenpaar und das Mehrfach-Formwerkzeug relativ zueinander schrittweise linear oder karussellartig horizontal verstellbar sind – wie weiter oben in Verbindung mit dem entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt worden ist –.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch verdeutlichten Ausführungsbeispieles der Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Flächenelementes aus Faserverbundwerkstoff.
Es zeigen:
1 schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung,
2 das Detail II in 1 in einem größeren Maßstab, und
3 das Detail III in 1 in einem größeren Maßstab.
1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur Herstellung eines dreidimensionalen Flächenelementes. Die Vorrichtung 10 weist Achsen 12 zur Lagerung von Vorratsrollen 14 auf. An jeder Vorratsrolle 14 ist ein streifen- bzw. bandförmiges Ausgangsflächenelement 16 bevorratet, das eine Anzahl Lagen 18 eines Faserverbundwerkstoffes aufweist (s. 2).
Die Lagen 18 sind mit einander punktuell bspw. durch eine Ultraschallschweißung miteinander verschweißt. Die Ultraschallschweißungen sind in 2 durch Querlinien 20 angedeutet.
Die Ausgangs-Flächenelemente 16 werden durch ein Paar Lenkwalzen 22 zusammengeführt und zu einem Paar Kalanderwalzen 24 geleitet. Dem oberseitigen Einlassbereich 26 des Kalanderwalzenpaares wird Harz 28 aus einem Harz-Vorratsbehälter 30 zugeführt. Im Kalanderspalt 32 zwischen den beiden Kalanderwalzen 24 werden die bandförmigen Ausgangs-Flächenelemente 16 mit Harz 28 getränkt und zu einem ebenflächigen Zwischenprodukt verpresst. Das ebenflächige Zwischenprodukt 34 tritt aus dem unterseitigen Ausgabebereich 36 des Kalanderwalzenpaares 24 lotrecht nach unten aus und wird in einem definierten Abstand stromabwärts unter dem Kalanderwalzenpaar mittels einer Abschneideinrichtung 38 abgeschnitten. Das abgeschnittenen, ebenflächige Zwischenprodukt 34 wird in ein vertikal orientiertes Formwerkzeug 40 eingebracht und in ihm zum dreidimensionalen Flächenelement, d. h. Endprodukt umgeformt.
Dem Kalanderwalzenpaar 24 kann mindestens ein (nicht gezeichnetes) Presswalzenpaar stromabwärts nachgeordnet sein.
3 verdeutlicht in einem vergrößerten Maßstab schematisch das Zwischenprodukt 34 bestehend aus den Ausgangs-Flächenelementen 16 aus den Faserverbundwerkstoff-Lagen 18, die mit dem Harz 28 getränkt sind.
Das Formwerkzeug 40 ist als vertikal orientiertes Mehrfach-Formwerkzeug, d. h. bspw. mit einem ersten Formwerkzeug 42 und einem zweiten Formwerkzeug 44 ausgebildet, so dass ein Formwerkzeug 42 oder 44 mit dem Zwischenprodukt 34 bestückt werden kann, während das andere Formwerkzeug 44 oder 42 das in ihm befindliche Zwischenprodukt 34 dreidimensional umformt. Zu diesem Zwecke kann das Formwerkzeug 40 relativ zu dem durch den Block 46 verdeutlichten Oberteil der Vorrichtung 10 oder das besagte Oberteil 46 in Bezug zum Formwerkzeug 40 schrittweise horizontal linear oder karussellartig verstellbar sein. Die Verstellbarkeit ist in 1. durch den Doppelpfeil 48 angedeutet.
Das Oberteil 46 umfasst also die Achsen 12 für die Vorratsrollen 14, die Lenkwalzen 22, das Paar Kalanderwalzen 24, den Harz-Vorratsbehälter 30 und die Abschneideinrichtung 38.
In 1 ist eine kontinuierlich arbeitende Vorrichtung 10 schematisch angedeutet; es versteht sich jedoch, dass anstelle von Kalanderwalzen 24 bspw. auch Pressstempel einer Presse zur Anwendung gelangen können, um ebenflächige Zwischenprodukte herzustellen, die anschließend in einem Formwerkzeug zu dreidimensionalen Flächenelementen, d. h. Endprodukten umgeformt werden. Der Transport der ebenflächigen Zwischenelemente zum Formwerkzeug kann z. B. mit Hilfe eines Industrie-Roboters erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Achse (von 10 für 14)
14: Vorratsrolle (an 12 von 16)
16: Ausgangsflächenelement
18: Faserverbundwerkstoff-Lage (von 16)
20: Ultraschallschweißung (bei 18)
22: Lenkwalze (von 10 für 16)
24: Kalanderwalze (von 10 für 16)
26: oberseitiger Einlassbereich (bei 24)
28: Harz (für 16)
30: Harz-Vorratsbehälter (für 28)
32: Kalanderspalt (zwischen 24 und 24)
34: ebenflächiges Zwischenprodukt
36: unterseitiger Ausgabebereich (bei 24)
38: Abschneideinrichtung (von 10 für 34)
40: Mehrfach-Formwerkzeug (von 10 für 34)
42: erstes Formwerkzeug (von 40)
44: zweites Formwerkzeug (von 40)
46: Block/Oberteil (von 10)
48: Doppelpfeil (bei 40)

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Flächenelementes, wobei mindestens ein Ausgangsflächenelement (16), bestehend aus mindestens einer Lage (18) eines Faserverbundwerkstoffs mit einer definierten Menge eines Harzes (28) versehen wird, und das so hergestellte Zwischenprodukt (34) in einem Formwerkzeug (40) unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in die gewünschte dreidimensionale Gestalt umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt (34) zur gleichmäßigen Verteilung des Harzes (28) über das Ausgangs-Flächenelement (16) ebenflächig vorgepresst wird, wonach das ebenflächige Zwischenprodukt (34) mit dem gleichmäßig verteilten Harz (28) in das Formwerkzeug (40) eingebracht und im Formwerkzeug (40) dreidimensional umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Ausgangs-Flächenelemente (16), die jeweils mindestens zwei Faserverbundwerkstoff-Lagen (18) aufweisen, zum ebenflächigen Zwischenprodukt (34) verpresst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausgangs-Flächenelement (16), bestehend aus mindestens einer Lage (18) eines Faserverbundwerkstoffs zwischen einem Paar Kalanderwalzen (24) mindestens annähernd lotrecht nach unten bewegt wird, wobei dem oberseitigen Einlassbereich (26) des Kalanderwalzenpaares das Harz (28) in einer definierten Menge zugeführt wird, und dass das aus dem unterseitigen Ausgabebereich (36) des Kalanderwalzenpaares lotrecht austretende Zwischenprodukt (34) in einem definierten Abstand stromabwärts unter dem Kalanderwalzenpaar abgeschnitten und in ein vertikal orientiertes Formwerkzeug (40) eingebracht und im Formwerkzeug (40) dreidimensional zum flächigen Endprodukt umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Ausgangs-Flächenelemente (16), bestehend aus mindestens zwei Faserverbundwerkstofflagen (18) zwischen dem Kalanderwalzenpaar (24) lotrecht nach unten bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einlassbereich (26) des Kalanderwalzenpaares (24) das Harz (28) kontinuierlich in einer definierten Menge zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein vertikal orientiertes Mehrfach-Formwerkzeug (40) verwendet wird, wobei das Kalanderwalzenpaar (24) und das Mehrfach-Formwerkzeug (40) relativ zueinander schrittweise horizontal verstellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das/jedes an einer Vorratsrolle (14) bevorratete Ausgangs-Flächenelement (16) von der zugehörigen Vorratsrolle (14) kontinuierlich abgewickelt und dem Kalanderwalzenpaar (24) zugeführt und durch dieses hindurch geleitet werden.
Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Flächenelementes aus einem flächigen Zwischenprodukt (34), das aus mindestens einem Ausgangs-Flächenelement (16) aus mindestens einer Lage (18) eines Faserverbundwerkstoffes besteht, die mit einem Harz (28) versehen ist, mit einem Formwerkzeug (40) zum Umformen des zweidimensionalen Zwischenproduktes (34) in die gewünschte dreidimensionale Gestalt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Formwerkzeug (40) eine Presseinrichtung vorgeordnet ist, in der ein ebenflächiges Zwischenprodukt (34) aus dem mindestens einen Ausgangsflächenelement aus der mindestens einen Lage des Faserverbundwerkstoffes hergestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Presseinrichtung ein Paar Kalanderwalzen (24) zur Herstellung eines ebenflächigen lotrechten Zwischenproduktes (34) aufweist, dass in einen definierten Abstand unter dem Kalanderwalzenpaar (24) eine Zwischenprodukt-Abschneideinrichtung (38) vorgesehen ist, und dass das zum Umformen des ebenflächigen Zwischenproduktes (34) in die gewünschte dreidimensionale Gestalt vorgesehene Formwerkzeug (40) vertikal orientiert und unter der Abschneideinrichtung (38) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (40) als vertikal orientiertes Mehrfach-Formwerkzeug (40; 42,44) ausgebildet ist, und dass das Kalanderwalzenpaar (24) und das Mehrfach-Formwerkzeug (40; 42, 44) relativ zueinander schrittweise horizontal verstellbar sind.