DE102013202046B4

DE102013202046B4 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102013202046B4
Application number: DE102013202046.5A
Authority: DE
Inventors: Heiner Salzmann; Johannes Götzelmann; Gottfried Sailer
Original assignee: Magna Exteriors Germany GmbH
Current assignee: Magna Exteriors Germany GmbH
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: DE102013202046A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Verbundwerkstoffen aus mindestens zwei Lagen von vorkonfektionierten Faser-Verbundwerkstoffen und oder Verbundwerkstoffgelegen, die jeweils von einem Endlosband abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosbänder (3, 4) sich an einer Zuschnittposition überlappend übereinanderlegen, wobei mindestens eines der Endlosbänder (4) aus einem Trägermaterial (8) mit mindestens einem in seiner Position und Form auf dem Trägermaterial vorkonfektionierten Gelege (7) besteht, wobei das Gelege (7) auf dem Trägerband (8) so angeordnet ist, dass es in korrekter Position auf einer Zuschneidestation (5) liegt und wobei die einzelnen Gelege (7) bereits die Zielorientierung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Verbundwerkstoffen aus mindestens zwei Lagen von vorkonfektionierten Faser-Verbundwerkstoffen und oder Verbundwerkstoffgelegen, die jeweils von einem Endlos-Band abrollen.
Stand der Technik
Ein Verbundwerkstoff ist eine Kombination von mindestens zwei oder mehreren verschiedenen Wirkstoffen, welche eindeutig unterschiedliche physikalische oder chemische Eigenschaften besitzen. Der daraus entstehende Verbundwerkstoff vereinigt die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften seiner Bestandteile. Gleichzeitig werden die positiven Eigenschaften für die jeweilige Anwendung hervorgehoben und die am wenigsten erwünschten Eigenschaften unterdrückt. Die Komponenten werden dabei so ausgewählt und miteinander verbunden, dass jeder Stoff in seinen speziellen und für den vorliegenden Fall benötigten Eigenschaften beansprucht wird.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) zeichnen sich durch ein hohes Leichtbaupotenzial aus und werden deshalb zur Realisierung hochbelasteter Produkte eingesetzt. Ihr hervorragendes Verhältnis von Gewicht und Festigkeit kann allerdings erst dann voll ausgenutzt werden, wenn alle Phasen der Prozess- und Produktentwicklung faserkunststoffgerecht durchgeführt werden. Vor allem thermoplastische FKV werden wegen ihren kurzen Verarbeitungszykluszeiten im Thermoformverfahren heute in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt. Das Thermoformen von kontinuierlich faserverstärkten thermoplastischen Halbzeugen sogenannten Organblechen bietet als Umformverfahren ein großes Potenzial. Bei diesem Verfahren ist die mögliche Bauteilkomplexität aber eingeschränkt und das Halbzeug bestimmt die Bauteildicke. Komplexe Bauteile werden deshalb oft in Kombination mit den Fertigungsverfahren Spritzgießen, RTM und Fließpressen hergestellt.
Ziel der Erfindung ist die Vorteile beider Verfahren (hohe Bauteilkomplexität, gerichtete Fasern) in einem Fertigungsprozess zu kombinieren und die relevanten Prozessparameter hierfür zu bestimmen. So hergestellte Bauteile können gleichzeitig geometrisch komplex und steif sein und ein hohes Energieabsorptionsvermögen besitzen und damit den gestiegenen Bedarf in der Automobilindustrie sowie im Transportwesen allgemein decken. Durch die geschickte Kombination des Thermoformens von Organoblechen mit dem Spritzgießverfahren konnten neben den genannten Vorteilen auch die Kosten zur Herstellung komplexer Bauteile reduziert werden. Organobleche bestehen aus speziellen Geweben, die in definierten Orientierungen in eine Thermoplastmatrix eingebettet sind. Die Gewebe werden aus Glasfaser-, Kevlar- oder Kohlefasern hergestellt. Als Thermoplastmatrix eignet sich zum Beispiel Polyamid, weil es unter anderem eine gute Haftung zu den Fasern zeigt. Das Ergebnis sind Hybridbauteile, die vollständig aus Kunststoff bestehen. Im Vergleich zu ihren Pendants aus Blech sind sie leichter und zeigen, in Relation zum Bauteilgewicht, eine höhere Flächensteifigkeit sowie deutlich höhere Festigkeiten. Anwendungspotenzial besteht neben den klassischen Hybridbauteilen vor allem bei Komponenten, die eine hohe Flächensteifigkeit aufweisen müssen – wie etwa Reserveradmulden. Zudem können Anbauteile wie Verstärkungen oder Clipse durch Anspritzen integriert werden. Außerdem kann auf den Korrosionsschutz verzichtet werden, der bei metallischem Blech einen zusätzlichen Kostenfaktor darstellt. Die Investition in ein Werkzeug zum Tiefziehen ist bei Organoblechen deutlich geringer als bei Metall. Deshalb lohnt sich die Fertigung von Hybridbauteilen mit Organoblech vor allem bei niedrigen bis mittleren Stückzahlen.
Aus der GB2041824 A ist ist ein Verbundmaterial aus Kohlestofffaser- verstärktem Kunststoff in Kombination mit Metalldrahtgewebe bekannt. Dabei ist das Verbundmaterial alternierend aus dem verstärkten Kunststoff und dem Metallgelege aufgebaut.
Ein solcher Aufbau ist für den Einsatz für homogene Bauteile mit gleichmäßigem Verhalten gegenüber Krafteinträgen sinnvoll, die Herstellung und der Aufbau des Bauteils aus den genannten der Kunststoffschichten ist dabei nicht ausgeführt.
Aus der WO2009042225 A2 ist ist ein Prozess zur Herstellung von Verbundkomponenten bekannt, wobei hier Bänder von vorbereiteten Materialien geschnitten und in ein Werkzeug gelegt werden. Dabei wird ein Bandabschnitt über einer Werkzeugoberfläche positioniert und mindestens ein Abschnitt des Bandes relativ zur Oberfläche des bereits vorhandenen Bandes bewegt, um den Bandabschnitt in einer gewünschten Position und Orientierung relativ zu dem Werkzeug zu positionieren. Die Positionierung der Lagen aufeinander erfolgt zwar maschinell, der Aufwand ist aber durch die geforderten Bewegungen der Materialen groß. Die DE 60319617 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines vorgefertigten Formmaterials aus mehreren Schichten. Die Schichten sind aus faserverstärktem Material und werden unter bestimmten Winkeln zueinander in die Maschine eingeführt. Aus dieser Druckschrift ist nicht bekannt, dass ein Bauteil aus Faserverbundstoffen hergestellt wird, indem einzelne Gelege in vorpositionierten Lagen von einem Trägermaterial zugeführt werden. Aus der Druckschrift EP 2377673A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Material mit unterschiedlicher Orientierung zueinander einer Maschine zugeführt wird. Auch in diesem Dokument gibt es keine Lösung für die oben genannte Aufgabe. Das Material ist in allen Fallen homogen über die Fläche verteilt und weist dieselben Eigenschaften auf.
Aus der DE 10 2012 007 631 A1 ist bekannt, eine Mehrschichtstruktur herzustellen, die aus einer Matrix und unterschiedlichen Verstärkungsstrukturen aufgebaut ist. Auch in dieser Druckschrift findet sich kein Hinweis auf Gelege, die auf einer Trägerstruktur aufgebracht sind und so zu einer inhomogenen Verstärkung des gesamten Materials an einzelnen Positionen führen.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, ein Bauteil aus einem Endlosband von Verbundwerkstoff herzustellen, das in unterschiedlichen Bereichen durch unterschiedliche Schichten oder Lagen des Verbundwerkstoffs selbst unterschiedliche Eigenschaften, verteilt über Bereiche des Bauteils, aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Verbundwerkstoffen in einem industriell einsetzbaren Endlosprozess mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafterweise stellt das Verfahren Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen mit mindestens zwei Lagen aus vorkonfektionierten Faserverbundstoffen und Faserverbundgelegen her, die jeweils von einem Endlosband abrollen. Die Faserverbundstoffe legen sich überlappend übereinander, wobei die Gelege bereits die gewünschte Zielorientierung aufweisen. Es sind damit keine weiteren Bewegungen der Gelege und aufwändige Positionierungen relativ zueinander auf dem Basismaterial notwendig.
Vorteilhafterweise wird für die Herstellung des Bauteiles eines der Endlosbänder als Grundmaterial für das Bauteil verwendet, wobei dieses Endlosband gleichmäßig über seine Fläche aufgebaut ist und keine weiteren Gelege aufweist. Auf dieser Basisschicht wird das gesamte Bauteil aufgebaut.
Vorteilhafterweise weist mindestens eines der weiteren Endlosbänder ein Trägermaterial mit mindestens einem darauf vorpositionierten Gelege auf. Dadurch ist es auf einfache Art und Weise möglich, das Gelege an der Zuschneidestation zu positionieren. Die Gelege, die für das Bauteil verwendet werden, werden in einem CAE System ermittelt und ihre Position auf dem Trägermaterial vorkonfektioniert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Endlosbänder senkrecht zueinander abgerollt, allerdings ist auch eine parallele Einbringung der Endlosbänder zur Zuschneidestation möglich.
Vorteilhafterweise werden die Lagen des Faserverbundwerkstoffes in der Zuschnittposition miteinander verbunden.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Es zeigt:
1 ein beispielhaftes Bauteil
2 eine schematische Darstellung des Verfahrens
3 ein weiteres beispielhaftes Verfahren
4 eine Seitenansicht
1 oben zeigt einen beispielhaften Aufbau von Schichten nach dem erfindungsgemäßen Gegenstand. Die Schichten werden auf einer planen Fläche vorbereitet. Im Beispiel der 1 sind unterschiedliche vorimprägnierte Faserschichten aus einem ersten faserverstärkten Material 13 vorgesehen. Diese vorimprägnierten Faserschichten werden als Prepreg bezeichnet und bestehen aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffmatrix.
Auf oder zwischen die ersten Faserschichten 13 werden Schichten aus einem zweiten faserverstärkten Material 14 angeordnet. Wie aus dem Beispiel zu erkennen ist, weist das Bauteil unterschiedliche Bereiche B1, B2, B3 auf. Diese Bereiche sind in der x, y Ebene definiert, nicht in der Schichtrichtung z des Bauteils. Die Bereiche können unterschiedlich groß sein und unterschiedliche Formen in der x, y-Ebene aufweisen. Im Bereich B1 des Bauteils sind nur Lagen aus dem ersten Material vorhanden. Im Bereich B2 weist das Bauteil zwei Lagen aus dem zweiten auf, im Bereich der B3 eine Lage aus einem zweiten Material. Auf eine erste Schicht aus faserverstärktem Kunststoff wird eine zweite Schicht, in diesem Fall alternativ eine Schicht aus dem ersten oder zweiten Material aufgelegt. Je nach Beanspruchung der einzelnen Bereiche B1, B2, B3 werden weitere faserverstärkte Kunststofflagen aufeinander geschichtet. Dieser Prozess der Schichtung der vorgefertigten Metallgelege und faserverstärkten Stücken soll automatisiert ablaufen.
Im unteren Teil der 1 ist ein Werkzeug aufgezeigt, das ein unteres Werkzeugteil 6b und ein oberes Werkzeugteil 6a aufweist. In diesem Werkzeug 6a, 6b wird das vorbereitetet Bauteil verformt und entweder in einem Autoklaven ausgehärtet, mithilfe von RTM-Verfahren mit einer Formmasse verpresst oder thermoplastisch umspritzt, bzw. unter Wärme und Druck ausgehärtet.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau zur Herstellung eines Bauteils. Als zentrales Bauteil ist eine Zuschneidestation 5 vorgesehen auf der die unterschiedlichen Gelege aufeinander gelegt und in einer möglichen Ausführungsform miteinander verbunden werden. Eine erste Trommel 1 rollt ein erstes Endlosband 3 ab und liefert eine Grundschicht aus einem ersten faserverstärktem Verbundmaterial 13. Das erste Endlosband 3 wird bis zur Zuschneidestation 5 gezogen und an deren Ende arretiert.
Die unterste oder Basisschicht des ersten faserverstärktem Verbundmaterials 13 ist eine gleichmäßige Schicht aus vorimprägnierten Material, das keine Verstärkungen Gelege oder Einlagen aufweist und mit gleichmäßiger Dicke und Struktur die Grundlage des nachfolgenden verstärkenden Aufbaus liefert.
Eine zweite Trommel 2 liefert senkrecht zum ersten Endlosband 3 ein zweites Endlosband 4. Das zweite Endlosband 4 besteht aus einem Trägermaterial 8 auf dem Gelege 7 aus einem zweiten faserverstärkten Kunststoffmaterial 14 aufgebracht sind. Die Gelege aus dem zweiten Faserverbundmaterial 14 sind auf dem Trägerband 8 so angeordnet, dass sie in korrekter Position auf der Zuschneidestation 5 liegen, sobald das zweite Endlosband 4 bis zu seiner Position auf der Zuschneidestation 5 ausgerollt ist. Als Trägermaterial 8 ist ein dünner faserverstärkter Kunststoff denkbar, der insgesamt die Bauteileigenschaften des herzustellenden Bauteils 10 nicht weiter beeinflusst. Es ist auch denkbar als Trägermaterial 8 eine Transferfolie zu verwenden, von der die Gelege nach Erreichung der korrekten Positionen an der Zuschneidestation 5 direkt abgestreift werden. Die Positionierung der Gelege 7 aus dem zweiten faserverstärkten Kunststoff 14 erfolgt dabei über die Vorkonfektionierung auf dem zweiten Endlosband 4 und der korrekten Abrollung des Bandes in der Zuschneidestation 5.
In der Zuschneidestation 5 wird aus den Endlosbändern die Form des gewünschten Bauteils ausgeschnitten und das ausgeschnittene Bauteil in die warm umformenden Werkzeuge 6 übergeben.
Die in der Zuschneidestation 5 aufeinander geschichteten Gelege 7 können vor dem Übergeben in das Werkzeug aufeinander fixiert werden. Dabei sind alle für den Fachmann denkbare Möglichkeiten für die Ausführung des Verfahrens möglich. Zum Beispiel wäre eine lokale Erwärmung, der Einsatz von Ultraschall oder Infrarot sowie ein Vernähen der Gelege zur Ausführung des Verfahrens möglich.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier wird zusätzlich zu der in 2 gezeigten Aufbringung eines einzelnen Geleges ein weiteres Gelege in Form eines dritten faserverstärkten Verbundmaterials 12 auf die Zuschneidestation 5 aufgebracht. Ein drittes Endlosband 11 trägt ein Gelege aus einem dritten faserverstärkte Material 12 und wird über das Abrollen des Bandes an der Zuschneidestation 5 auf der Basisschicht aufgebracht. Zusätzlich ist auf dem Trägermaterial 8 des zweiten Endlosbandes 4 ein weiteres Gelege aufgebracht, das auf der Basisschicht des ersten Endlosbandes 3 aufgebracht wird.
In 4 ist schematisch eine Lösung angedeutet, wie über unterschiedliche Anbringung der Rollen 2, 1, 9 die Endlosbänder 3, 4, 11 der Zuschneidestation 5 zugeführt werden können. Über geeignete Walzen 20 werden die Endlosbänder zur Zuschneidestation 5 geführt, dort bis zu ihrer Endposition gezogen und anschließend mit einem Schneidewerkzeug geschnitten.
Nach der Übergabe des vorgeschnittenen Bauteils an das Werkzeug 6 beginnt der Form gebende Prozess, wobei hier alle bekannten Warmumformungsverfahren angewendet werden können. Im speziellen sind es Spritzgussverfahren, RTM-Verfahren, PUR RIM-Verfahren sowie alle Formen des Spritzformens anwendbar.
Wenn die Gelege in der Zuschneidestation 5 durch Wärme bereits vorgeheizt und so mit der Basisschicht verbunden sind, wird die vorhandene Nachwärme für den Folgeprozess weiterverwendet. Auch eine zweistufige Prozessführung ist dabei möglich, eine Umformung in einem ersten Werkzeug sowie eine Übergabe in einen folgenden Prozess.
Der finale Zuschnitt des Bauteils muss nicht in der Zuschneidestation 5 erfolgen, es ist auch möglich ein Rohbauteil in der Abmessungen der Zuschneidestation zu übergeben, also nur eine Abtrennung vom Endlosband vorzunehmen und den eigentlichen Zuschnitt im Werkzeug 6 auszuführen. Mit dem Verfahren ist es möglich selbst unterschiedliche Materialien zu verwenden und das Bauteil optimal an seine Belastung anzupassen. Es kommen dabei Fasermaterialien wie Glasfasern, sowie Kohlenstofffasern und andere Fasern oder Metallfasern zum Einsatz. Die Gelege sind dabei Vliese oder strukturierte Gewebe oder unstrukturierte Gelege, je nach mechanischer Anforderung des Bauteils. Die Gelege werden so gewählt, dass die Strukturübergänge an Stellen erfolgen, die keiner hohen Belastungen ausgesetzt sind. Dazu werden die Gelege ausreichend dimensioniert oder durch geeignete Laschung im Übergangsbereich mit der Basisschicht verbunden. Zusätzlich können Bereiche in denen Strukturübergänge stattfinden durch einen geeigneten Nähprozess oder Verwebprozess oder Nadelprozess zwischen den Lagen unterstützt werden, um eine bessere Kraftübertragung innerhalb der Schichten zu ermöglichen und das Organoblech wirklich gestaffelt aufbauen zu können.
Für das Verfahren kommen vorteilhafterweise vorimprägnierte Endlosbänder zum Einsatz. Aber es ist auch möglich, pure Faserstrukturen zu schichten und die Imprägnierung an der Zuschneidestation 5 mit Harz oder Thermoplasten vorzunehmen.
Der Verbindungsprozess kann dabei direkt nach dem Schichten der einzelnen Faser verstärkten Kunststoffschichten eingesetzt werden oder nach dem Imprägnieren der Fasern mit Harz oder Thermoplasten.
Bezugszeichenliste

1: erste Rolle
2: zweite Rolle
3: erstes Band
4: zweites Band
5: Zuschneidestation
6: Werkzeug
6A: oberes Werkzeugteil
6B: unteres Werkzeugteil
B1, B2, B3: Bereiche
7: Gelege
8: Trägermaterial
9: dritte Rolle
11: drittes Endlosband
12: drittes Fasermaterial
13: Erstes Faser Material
14: zweites Fasermaterial
20: Walzen

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faser-Verbundwerkstoffen aus mindestens zwei Lagen von vorkonfektionierten Faser-Verbundwerkstoffen und oder Verbundwerkstoffgelegen, die jeweils von einem Endlosband abrollen, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosbänder (3, 4) sich an einer Zuschnittposition überlappend übereinanderlegen, wobei mindestens eines der Endlosbänder (4) aus einem Trägermaterial (8) mit mindestens einem in seiner Position und Form auf dem Trägermaterial vorkonfektionierten Gelege (7) besteht, wobei das Gelege (7) auf dem Trägerband (8) so angeordnet ist, dass es in korrekter Position auf einer Zuschneidestation (5) liegt und wobei die einzelnen Gelege (7) bereits die Zielorientierung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eines der Endlosbänder (3) als Grundmaterial für das Bauteil über seine Fläche gleichmäßig aufgebaut ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosbänder (3, 4) senkrecht zueinander abgerollt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosbänder (3, 4) nahezu parallel und höhenversetzt zueinander abgerollt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die in der Zuschnittposition übereinanderliegenden Lagen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die zugeschnittenen Lagen in einem Werkzeug (6) formverändernd bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Endlosbänder (4, 3, 11) vorimprägniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Endlosbänder (4) mehr als ein Gelege (7) aufweist.