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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung zweier Preforms aus Fasern für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff zu einem Preform, wobei ein erstes Teil-Preform aus mehreren Lagen von Fasergewebe oder von Fasergelege aufgebaut wird, und ein zweites Teil-Preform durch Sprühen von Faserabschnitten auf eine Form gebildet wird.
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Faserverstärkter Kunststoff besteht aus Matrixmaterial und aus Fasern, die in das Matrixmaterial eingebettet sind und die u.a. die Zugfestigkeit liefern. Faserverstärkter Kunststoff wird besonders für hochbelastetete Bauteile verwendet, die trotzdem noch möglichst leicht sein sollen. Zum Herstellen von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff werden oft zunächst als Vorstufe sogenannte Preforms oder Faservorformlinge aus den Fasern hergestellt. Dazu werden die Fasern auf einer Form appliziert und mit geringen Mengen an Bindermaterial fixiert, so dass sie die Form beibehalten. In einem späteren Fertigungsschritt wird dann das Matrixmaterial (der Kunststoff) unter Druck in das Preform injiziert zum Beispiel in einem RTM-Verfahren.
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Preforms können aus mehreren Lagen von Fasergewebe, die übereinander drapiert werden, aufgebaut sein. Es können aber auch kurze Faserstücke auf eine Form gesprüht werden, um das Preform zu bilden. Die Preforms können bereits die Form des späteren Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff aufweisen. Bei komplexeren Formen kann das Preform beim Füllen mit der Kunststoffmatrix auch noch umgeformt werden.
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Für größere oder komplexere Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff ist es notwendig, mehrere Teil-Preforms herzustellen und miteinander so zu verbinden, dass sie nach dem Injizieren auch an der Verbindungsstelle eine hohe Festigkeit aufweisen. Bisher ist es allerdings nur möglich Preforms, die aus Fasergewebelagen aufgebaut sind, zuverlässig miteinander zu verbinden. Ein Beispiel, wie die Verbindung von zwei Kanten eines Preforms aus mehreren Fasergewebelagen möglich ist, ist als Nebenaspekt in
US 2007/0137778 A1 gezeigt. Dazu werden abgeschrägte Kanten an der Verbindungsstelle des Preforms erzeugt und überlappend auf einer Form positioniert, bevor dann das Kunststoff-Harz in einem üblichen RTM-Verfahren injiziert wird. Zur weiteren Verbesserung der Festigkeit können die Faserenden der Gewebe vor dem Injizieren des Kunststoffharzes noch vernäht werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Preform für ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff herzustellen, bei dem ein Teil-Preform, das aus Fasergewebe hergestellt ist, mit einem Teil-Preform, das durch Fasersprühen hergestellt ist, so verbunden werden kann, dass eine zuverlässige Verbindung im späteren Bauteil erreicht wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erstes Teil-Preform aus mehreren Lagen von Fasergewebe und/oder von Fasergelege aufgebaut wird und ein zweites Teil-Preform durch Sprühen von Faserabschnitten auf eine Form gebildet wird, wobei diese Teil-Preforms so geformt werden, dass das erste Teil-Preform das zweite Teil-Preform in einem Verbindungsbereich auf zwei Seiten, insbesondere auf Oberseite und Unterseite, umschließt und dass das zweite Teil-Preform im Verbindungsbereich auf jeder der zwei Seiten zumindest zwei Stufen aufweist und diese mit dem ersten Teil-Preform in Kontakt gebracht werden. Unter umschließen wird hier verstanden, dass das erste Teil-Preform in diesem Bereich flächig Kontakt zum zweiten Teil-Preform hat, wobei die Fläche aus einer Vielzahl von Fasern gebildet wird und dass das zweite Teil-Preform im Verbindungsbereich zwischen den Lagen des ersten Teil-Preforms liegt. Das erste Teil-Preform kann selbstverständlich auch aus einer Mischung von Fasergelege und Fasergewebe aufgebaut werden.
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Als Stufe wird der Übergang von einer Innenkante auf einen im Wesentlichen senkrechten Abschnitt angesehen. Senkrecht bezieht sich hier relativ zur Ebene der später im verbundenen Preform angeordneten Lagen aus Fasergewebe oder Fasergelege des ersten Teil-Preforms. Die Stufe muss nicht notwendigerweise einen 90°-Winkel an der Innenkante bilden. Bevorzugt beträgt der Winkel ungefähr 90°.
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Durch den beidseitig gestuften Verbindungsbereich wird ein guter Übergang zwischen dem lagig aufgebauten ersten Teil-Preform und dem gesprühten zweiten Teil-Preform erzeugt, so dass im späteren Bauteil keine Schwachstellen im Übergangsbereich entstehen. Würde man die beiden Preforms nur einfach überlappend herstellen, wie es im Stand der Technik bekannt ist, so ergeben sich an der Verbindung faserarme Bereiche, die später nur von Matrixmaterial ausgefüllt werden und deshalb eine geringere Festigkeit aufweisen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich somit die Vorteile des Drapierens von Faserlagen und des Sprühens von Fasern ideal kombinieren, ohne dass an der Verbindungsstelle Schwachpunkte im Bauteil auftreten. Der Vorteil des Drapierens von Faserlagen ist, dass eine hohe Festigkeit erreicht werden kann. Der Vorteil des Sprühens von Faserabschnitten ist, dass eine sehr viel schnellere Herstellung aufgrund der höheren Faserablegerate möglich ist und solche Preforms deutlich billiger sind. Durch die vorgeschlagene Kombination können Bauteilbereiche, die höheren Belastungen ausgesetzt sind, durch das erste Teil-Preform gebildet werden und Bereiche, die geringeren Belastungen ausgesetzt werden, als zweites Teil-Preform durch Fasersprühen hergestellt werden. Diese kombinierten Preforms sind im Vergleich zu Preforms, die ganz aus drapierten Faserlagen bestehen, billiger und schneller herzustellen. Dadurch sind höhere Taktraten in der Produktion möglich. Im Gegensatz zu ausschließlich gesprühten Faserpreforms weisen sie in bestimmten Bereichen eine höhere Festigkeit im späteren Bauteil auf. Desweiteren können mit diesem Verfahren sehr flexibel auch komplexere Preforms hergestellt werden. Das Verfahren läßt sich nicht nur für ebene Preforms anwenden, sondern auch für dreidimensional geformte Preforms. Sowohl das erste wie auch das zweite Teil-Preform werden auf einem Formwerkzeug, welches als Trägerplatte oder als dreidimensionale Form ausgebildet ist, abgelegt. Bei Bedarf können auch mehrere erste Teil-Preforms aus Lagen von Fasergewebe oder Fasergelege und/oder mehrere zweite Teil-Preforms, erzeugt durch Sprühen von Faserabschnitten, erfindungsgemäß hergestellt und miteinander verbunden werden, um größere und komplexere Preforms zu bilden.
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Als Fasern kommen bevorzugt Glasfasern oder Aramidfasern oder besonders bevorzugt Kohlefasern in Frage. Dabei können im ersten und im zweiten Teil-Preform die gleichen Fasermaterialien oder verschiedene Fasermaterialien verwendet werden. Besonders bevorzugt sind z.B. die Fasergewebe oder Fasergelege für das erste Teil-Preform aus Kohlenstofffasern und die gesprühten Faserabschnitte im zweiten Teil-Preform aus Glasfasern. Bei der Weiterverarbeitung der Preforms werden die Fasern von einer Kunststoffmatrix umgeben. Als Matrixmaterial sind Thermoplaste oder bevorzugt Duromere, wie beispielsweise Epoxidharz, besonders geeignet.
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Die Fasergewebe oder Fasergelege sind bevorzugt aus Rovings zusammengesetzt; diese bestehen zum Beispiel aus 12 000 oder 24 000 oder 48 000 Filamenten pro Roving. Eine Lage Fasergewebe oder Fasergelege besteht aus mehreren Rovinglagen, mit unterschiedlicher Ausrichtung, die in irgendeiner Weise miteinander verbunden sind. Dabei können auch mehrere Rovinglagen mit gleicher Ausrichtung vorhanden sein. Ein bi-direktionales Fasergewebe oder Fasergelege hat nur 0° und 90° Rovinglagen.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, die die oben genannten Vorteile, insbesondere die Qualität der Verbindung der beiden Teil-Preforms noch zusätzlich verbessern, finden sich in den Unteransprüchen.
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Bevorzugt ist die Höhe jeder dieser Stufen im zweiten Teil-Preform jeweils höchstens so groß, wie die Dicke der Lage Fasergewebe oder Fasergelege im ersten Teil-Preform, mit der die jeweilige Stufe in Kontakt ist. So wird eine besonders gute Verzahnung der beiden Teil-Preforms und dadurch eine gute Festigkeit des Verbindungsbereichs im späteren Bauteil erzielt.
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Um eine gute Verzahnung und später eine ausreichende Festigkeit im Verbindungsbereich zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn das erste Teil-Preform aus mindestens 4, bevorzugt mindestens 10 Lagen von Fasergewebe oder von Fasergelege übereinander gebildet wird. Bei mehreren Lagen im ersten Teil-Preform können im zweiten Teil-Preform dann auch mehr als 2 Stufen je Seite vorgesehen sein.
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Bindermaterial ermöglicht, dass die Preforms nach dem Herstellen ihre Form behalten und bei der Handhabung bis zum Füllen mit dem Matrixmaterial nicht kaputt gehen. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft, wenn das erste Teil-Preform und/oder das zweite Teil-Preform Bindermaterial, welches über Wärme aktiviert wird, enthält, wobei das Bindermaterial bevorzugt Thermoplastmaterial ist. Besonders bevorzugt kann das Bindermaterial in Form von Thermoplastfäden vorliegen. Insbesondere im zweiten Teil-Preform können die Thermoplastfäden beim Schneiden der Faserabschnitte mitgeschnitten und aufgesprüht werden. Das Bindermaterial kann alternativ als Pulver, Sprühlösung oder als Folie aufgetragen oder mit drapiert werden. Beispielsweise kann das Bindermaterial bereits im Fasergewebe oder Fasergelege oder auf den Faserabschnitten vorhanden sein. Die Aktivierung über Wärme erfolgt über Heißluft, IR-Strahlung oder Kontakt mit einer heißen Platte oder Form. Das Bindermaterial schmilzt dabei an oder wird zumindest weich und klebrig; nach dem Abkühlen verfestigt oder konsolidiert es und hält die Preform in der vorgegebenen Form. Die Aktivierung kann zum Beispiel durch Erwärmung während oder vor dem Pressen der Preform zwischen zwei Formwerkzeughälften erfolgen. Bevorzugt enthalten die Preforms weniger als 10 Gew.% Bindermaterial, besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.%.
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Eine Möglichkeit für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass das erste Teil-Preform und das zweite Teil-Preform zunächst getrennt voneinander mit dem jeweils gestuften Verbindungsbereich hergestellt werden und dann zusammengesetzt werden. Dazu ist es hilfreich, wenn die Teil-Preforms jeweils mit einer geeigneten Form für den gestuften Verbindungsbereich hergestellt werden. Nach dem Zusammensetzen der Teil-Preforms kann das Bindermaterial durch Wärme aktiviert und die Preform anschließend verfestigt werden. Alternativ kann auch zunächst das Bindermaterial im ersten Teil-Preform und/oder im zweiten Teil-Preform durch Wärme aktiviert werden und erst danach werden die Teil-Preforms zusammengesetzt werden. Nach dem Zusammensetzen kann dann gegebenenfalls das andere Teil-Preform oder auch nur der Verbindungsbereich erwärmt und anschließend verfestigt werden. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Teil-Preforms zunächst unabhängig voneinander hergestellt werden können.
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Anstatt beide Teil-Preforms zunächst separat herzustellen und zusammenzusetzen, kann zunächst nur ein Teil der Lagen des ersten Teil-Preforms drapiert werden, dann das zweite Teil-Preform oder ein Teil davon durch Sprühen der Faserabschnitte an den bereits drapierten Teil des ersten Teil-Preforms hergestellt werden, und anschließend ein weiterer Teil der Lagen des ersten Teil-Preforms drapiert werden. So kann auch ein komplexer Verbindungsbereich geschaffen werden, ohne dass aufwändige Formwerkzeuge für den Verbindungsbereich notwendig sind. Diese Art des Verfahrens kann auch in mehreren und nicht nur in zwei Teilschritten ausgeführt werden.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn mehrmals abwechselnd nach dem Ablegen einer Lage des ersten Teil-Preforms eine Schicht Faserabschnitte für das zweite Teil-Preform an die bereits abgelegten Lagen des ersten Teil-Preforms gesprüht werden. Dadurch kann ein sehr feiner, besonders gut verzahnter Verbindungsbereich geschaffen werden. Alternativ kann mit einer Lage von Fasergewebe oder Fasergelege oder mit einer gesprühten Schicht aus Faserabschnitten begonnen werden. Gleiches gilt für das Beenden.
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Um die Festigkeit im Verbindungsbereich weiter zu erhöhen, können die Faserabschnitte im Verbindungsbereich des zweiten Teil-Preforms überwiegend eine größere Länge aufweisen als die Faserabschnitte im übrigen Teil des zweiten Teil-Preforms. Bevorzugt haben die Faserabschnitte im Verbindungsbereich eine Länge von mindestens 70 mm, besonders bevorzugt von 70 bis 100 mm, und die Faserabschnitte im übrigen Teil des zweiten Teil-Preforms haben eine Länge von 20 bis 60 mm. Zusätzlich können die Faserabschnitte im Verbindungsbereich so aufgesprüht werden, dass sie mit einer Vorzugsrichtung abgelegt werden, während die Faserabschnitte im übrigen Teil unorientiert aufgesprüht werden.
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Um eine gute Festigkeit zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn die Stufen des zweiten Teil-Preforms jeweils eine Höhe zwischen 0,2 und 2 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,7 mm haben. So können keine größeren Bereiche mit geringerer Faserdichte im Preform entstehen. Dabei können alle Stufen die gleiche Höhe haben, das muss aber nicht notwendigerweise so sein.
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Um eine ausreichende Überlappung zu gewährleisten, hat der Verbindungsbereich vorteilhafterweise eine Länge zwischen 10 und 100 mm, bevorzugt zwischen 20 und 50 mm haben. Ein zu kurzer Bereich bietet keine gute Festigkeit der Verbindung und ein zu langer Bereich erschwert die Herstellung.
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Damit die Faserabschnitte des zweiten Teil-Preforms gut abgelegt werden können, ist es hilfreich, wenn ein besaugtes Formwerkzeug vorhanden ist, an dem die Faserabschnitte des zweiten Teil-Preforms nach dem Aufsprühen durch Vakuumkräfte gehalten werden. So sind die Faserabschnitte fixiert, bevor gegebenenfalls vorhandenes Bindermaterial aktiviert wird und das Preform verfestigt.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden.
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1 Beispiel für eine erfindungsgemäß hergestellte Preform
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2 Darstellung der beiden Teil-Preforms für das Beispiel in 1
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3 weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäß hergestellte Preform
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4 Darstellung eines Zwischenschrittes für das Beispiel in 3
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Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. 1 zeigt eine Ausführungsform für das erste Teil-Preform 1 und das zweite Teil-Preform 2 zusammengesetzt zu einem gesamten Preform, wie es nach der Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorliegt. 2 zeigt die beiden Teil-Preforms 1, 2, die in diesem Fall zunächst separat hergestellt werden vor dem Zusammensetzen.
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Das erste Teil-Preform 1 besteht aus mehreren Lagen 3, 4, 5, 6, 7 von Fasergewebe oder Fasergelege, die übereinander drapiert sind. Insbesondere werden Fasergewebe oder Fasergelege aus Kohlenstofffasern eingesetzt, um in diesem Bereich eine hohe Festigkeit zu erreichen. Als bevorzugtes Fasergewebe können bi-direktionale Gewebe mit eine Flächendichte von ungefähr 300 g/m2 und einer Dicke von ungefähr 0,35 mm verwendet werden. Solche bi-direktionale Gewebe setzen sich zusammen aus Rovinglagen in 0°- und in 90°-Richtung.
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Das zweite Teil-Preform 2 wird aus Faserabschnitten auf ein Formwerkzeug gesprüht. Die Faserabschnitte können erzeugt werden, indem einer oder mehrere endlose Rovings einer Schneidvorrichtung zugeführt werden, die diese in gleich lange Abschnitte schneidet. Um die gesprühten Faserabschnitte in der gewünschten Form zu halten, kann das Formwerkzeug besaugt werden. Über Bohrungen oder Perforationen der Formwerkzeugoberfläche werden in diesem Fall die Faserabschnitte angesaugt und über Vakuumkräfte gehalten. Als bevorzugtes Material für die Faserabschnitte kommen Glasfasern oder Kohlenstofffasern in Frage. Um die Festigkeit im Verbindungsbereich 9 zu erhöhen, können in diesem Bereich Faserabschnitte mit eine größeren Länge als im restlichen Teil des zweiten Teil-Preforms 2 verwendet werden. Beispielsweise kann die Länge der Faserabschnitte im Verbindungsbereich ungefähr 100 mm und im restlichen Teil des zweiten Teil-Preforms 2 ungefähr 50 mm betragen. Außerdem können die Faserabschnitte im Verbindungsbereich so aufgesprüht werden, dass sie orientiert mit einer Vorzugsrichtung abgelegt werden, während die Faserabschnitte im restlichen Teil ohne spezielle Orientierung aufgesprüht werden.
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Der Verbindungsbereich 9 ist so ausgeführt, dass das erste Teil-Preform 1 das zweite Teil-Preform auf zwei Seiten umschließt, zum einen auf der Oberseite und zum anderen auf der Unterseite. Beide Seiten weisen je zwei Stufen 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 auf. So ist eine gute Verbindung im späteren Bauteil gewährleistet, ohne dass Schwachstellen mit weniger Fasern entstehen. Die Höhe einer Stufe, hier der Stufe 8.1, ist H1 und die Länge L1. Im gezeigten Beispiel sind die Höhen der Stufen gleich der Dicke der Lagen aus Fasergewebe oder Fasergelege.
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Um den gestuften Verbindungsbereich 9 erzeugen zu können, müssen die Faserlagen 3, 4, 5, 6, 7 entsprechend drapiert werden. Hierfür kann ein passendes Formwerkzeug verwendet werden. Für das zweite Teil-Preform 2 ist ein entsprechendes Formwerkzeug notwendig, um die Faserabschnitte in diese Form sprühen zu können. Nach dem separaten Herstellen der beiden Teil-Preforms 1, 2 werden diese zu einem gesamten Preform zusammengefügt. Dieses kann dann mit Matrixmaterial gefüllt, gegebenenfalls noch weiter umgeformt, und dann ausgehärtet oder konsolidert werden, um das gewünschte faserverstärkte Kunststoff-Bauteil fertigzustellen.
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Eines oder beide Teil-Preforms 1, 2 können Bindermaterial, wie zum Beispiel Thermoplastmaterial enthalten. Im Falle des zweiten Teil-Preforms 2 kann dafür ein Thermoplastfaden zusammen mit den Rovings der Schneidvorrichtung zugeführt werden, so dass Abschnitte des Thermoplastfadens beim Sprühen beigemischt werden. Bindermaterial kann auch in Form von Pulver oder Lösung aufgetragen werden oder als Folie oder Film aufgebracht werden.
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Nach dem Ablegen der Lagen oder dem Aufsprühen der Faserabschnitte wird das Bindermaterial erwärmt und damit aktiviert, so dass es weich oder klebrig wird. Beim Abkühlen fixiert es die Preforms soweit, dass sie ihre Form behalten und für die Weiterverarbeitung geeignet sind. Bevorzugt werden bei dieser Ausführungsform die beiden Teil-Preforms 1, 2 oder zumindest das zweite Teil-Preform 2 separat etwas fixiert, so dass die Teil-Preforms 1, 2 zusammengefügt werden können. Nach dem Zusammenfügen kann eine weitere Fixierung erfolgen, indem beispielsweise der Verbindungsbereich oder das gesamte Preform erwärmt wird.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform für ein erfindungsgemäß hergestelltes Preform dargestellt. 4 zeigt einen exemplarischen Zwischenschritt bei der Herstelltung. Hierbei werden die beiden Teil-Preforms 11, 12 nicht separat hergestellt, sondern schichtweise nacheinander. Beispielsweise können zunächst die Lagen 13, 14 drapiert werden, dann wird zumindest ein Teil 12.1 des zweiten Teil-Preforms gesprüht. Die oberste Lage 14 kann dabei etwas vom gesprühten Teil 12.1 überlappt werden. Anschließend können dann die weiteren Lagen 15, 16 aufgebracht werden und der restliche Teil 12.2 gesprüht werden. Es kann aber auch gleich das ganze zweite Teil-Preform 12 gesprüht werden, bevor die weiteren Lagen 15, 16 aufgebracht werden. Der Vorteil bei dieser Vorgehensweise ist, dass der Verbindugsbereich 19 einfacher oder mit weniger Formwerkzeugen herstellbar ist.
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Im Verbindungsbereich 19 weist das zweite Teil-Preform 12 wiederum je Seite je zwei Stufen 18.1, 18.2, 18.3, 18.4 auf. Die Höhe der Stufen ist genauso wie beim anderen Ausführungsbeispiel maximal so hoch wie die Dicke der Lagen 13, 14, 15, 16. Manche der Stufen, zum Beispiel die Stufe 18.2, haben eine geringere Höhe H2 als es der Dicke D2 der Lage entspricht, mit der sie in Kontakt sind.
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Alternativ können die beiden Teil-Preforms 11, 12 auch abwechselnd Lage für Lage hergestellt werden. Es wird also nach dem Drapieren einer Lage des ersten Teil-Preforms 11 eine Schicht Faserabschnitte für das zweite Teil-Preform gesprüht und dann wieder eine Lage aus Fasergewebe oder Fasergelege drapiert, usw. Genauso kann mit dem Sprühen einer Schicht aus Faserabschnitten begonnen werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich somit sehr flexibel komplexere und größere Preforms herstellen, die an die lokalen Belastungsbedingungen im späteren Bauteil angepaßt werden können. Gleichzeitig kann der Bedarf an teurem Fasermaterial reduziert bzw. an die lokalen Gegebenheiten optimal angepaßt werden und die Herstellungszeit reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 11
- erstes Teil-Preform
- 2, 12
- zweites Teil-Preform
- 3, 13
- erste Lage Fasergewebe oder Fasergelege
- 4, 14
- zweite Lage Fasergewebe oder Fasergelege
- 5, 15
- dritte Lage Fasergewebe oder Fasergelege
- 6, 16
- vierte Lage Fasergewebe oder Fasergelege
- 7
- fünfte Lage Fasergewebe oder Fasergelege
- 8.1, 8.2, 8.3, 8.4
- Stufen
- 18.1, 18.2, 18.3, 18.4
- Stufen
- 9, 19
- Verbindungsbereich
- 12.1, 12.2
- Teile des zweiten Teil-Preforms
- D1
- Dicke der Lage
- H1, H2
- Höhe der Stufe
- L1
- Länge der Stufe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0137778 A1 [0004]
