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Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Thermoplastmaterial, ein Faserverbundwerkstoffbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Thermoplastmaterials.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei faserverstärkten Kunststoffen zur Vermessung Messraster zu verwenden. Derartige Messraster werden dadurch erzeugt, dass für einen duroplastischen faserverstärkten Kunststoff Punkte auf z. B. einem Gewebe, aufgebracht werden, um dieses sodann nach dem Preformen oder sogar anschließend nach der Zugabe von Harz nach der Aushärtung optisch vermessen zu können. Dazu werden auf dem Bauteil Messpunkte in einem bestimmten Muster, z. B. in 45°-Orientierung mit vorbestimmtem Abstand, aufgebracht. Sodann wird das Bauteil vermessen. Weil das Messraster auf ein unverformtes Gewebe für duroplatische faserverstärkte Kunststoffe aufgebracht wird, ergibt sich allerdings der Nachteil, dass dieses Verfahren aufgrund des Herstellungsverfahrens bzw. der Imprägnierung bei faserverstärkten Thermoplasten nicht möglich ist.
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Die mögliche optische Vermessung eines fertigen Bauteils beschreibt die
DE 198 40 334 A1 . Hier wird eine Navigationskulisse verwendet, die aus einem Bauelement mit einer Gitterstruktur besteht, auf der mehrere Messmarken angebracht sind und das mehrere Verbindungsstege aufweist. Dieses Bauelement wird mittels Befestigungsvorrichtungen an einem zu vermessenden Objekt befestigt und soll dann über dem Objekt „schweben”. Die Vermessung des Objektes erfolgt dann aus mehreren Blickwinkeln. Auch hier wird also lediglich das fertige Objekt vermessen.
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Wünschenswert wäre es aber, den gesamten Fertigungsprozess für faserverstärkte Thermoplaste von der Faser bis hin zum fertigen Bauteil komplett überwachen und hierdurch eine kontinuierliche Qualitätskontrolle möglichst über den gesamten Fertigungsprozess schaffen zu können. Denn bislang ist ein schnelles Erkennen von Fehlern in den einzelnen Prozessschritten nicht möglich.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein faserverstärktes Thermoplastmaterial, ein Faserverbundwerkstoffbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Thermoplastmaterials in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass eine Absicherung des gesamten Herstellungsprozesses eines Faserverbundwerkstoffbauteils bis hin zum fertigen Bauteil, eine kontinuierliche Qualitätskontrolle, eine relativ genaue Analyse sowie ein schnelles Erkennen von Fehlern in den einzelnen Prozessschritten möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein faserverstärktes Thermoplastmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass ein faserverstärktes Thermoplastmaterial bereitgestellt wird, wobei auf und/oder an dem Thermoplastmaterial im unverformten Zustand des Thermoplastmaterials wenigstens ein Markierungselement in einer ersten Position angebracht ist und dass das Markierungselement durch Verformung in wenigstens eine zweite Position überführbar ist, die unterschiedlich von der ersten Position ist.
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Das faserverstärkte Thermoplastmaterial kann beispielsweise ein Halbzeug, z. B. ein Halbzeug direkt nach der Endlosfasertapeherstellung sein.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der unverformte Zustand des Thermoplastmaterials der unverformte Zustand eines Rohlings aus dem Thermoplastmaterial ist, beispielsweise eine Platte oder ein Endlosmaterial ist, z. B. ein Endlosfasertape oder ein imprägniertes Gewebe.
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Die erste Position kann eine erste Position auf dem Thermoplastmaterial sein, die sich in einem vordefinierten Abstand zu einem Bezugspunkt wie einer Kante des Thermoplastmaterials befindet. Beispielsweise kann die Faservorzugsrichtung verwendet werden, die automatisch durch den Endlosfasertapeherstellungsprozess definiert ist.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Thermoplastmaterial bereits im unverformten Zustand mit einem Markierungselement versehen wird, sodass eine Überprüfung des gesamten Herstellungsprozesses bei der Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils bis hin zum fertigen Bauteil möglich ist. Folglich ist eine kontinuierliche Qualitätskontrolle möglich. Auch ist eine relativ genaue Analyse möglich, da beziehungsweise die Wanderung des Markierungselementes relativ zu einem Bezugspunkt oder einem anderen Markierungselement bei etwaigen Verformungen im Herstellungsprozess eines Faserverbundwerkstoffbauteils verfolgt und überwacht werden kann. Auch ist es sehr einfach möglich, schnell zu erkennen, ob Fehler in einzelnen Prozessschritten aufgetreten sind.
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Die Verformung kann eine Verformung des faserverstärkten Thermoplastmaterials sein.
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Beispielsweise ist möglich, dass in Folge von Verformung das Markierungselement im Bezug auf einen Bezugspunkt, z. B. eine Kante des Thermoplastmaterials, von einer ersten Position mit einem ersten Abstand zum Bezugspunkt in eine zweite Position mit einem zweiten Abstand zum Bezugspunkt überführbar ist, der vom ersten Abstand abweicht. Dies ermöglicht es, eine Verformung des Bauteils zu überwachen, da diese anhand der Wanderung des Markierungselementes von der ersten Position zur zweiten Position nachvollziehbar ist.
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Ferner ist denkbar, dass wenigstens zwei Markierungselemente vorgesehen sind. Durch die Verwendung von wenigstens zwei bzw. von mehreren Markierungselementen ergibt sich der Vorteil, dass größere Bereiche des faserverstärkten Thermoplastmaterials bei z. B. einem Umformungsprozess oder Thermoformen oder auch Drapieren überwacht werden können. Hierdurch ist eine genauere Überwachung möglich.
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Es ist möglich, dass die Markierungselemente in der ersten Position relativ zueinander einen ersten Abstand aufweisen und in der zweiten Position relativ zueinander einen zweiten Abstand aufweisen, der vom ersten Abstand abweicht. Hierdurch wird eine mögliche Bewegung der Markierungselemente zueinander z. B. in Folge der Verformung einfach und sicher nachvollziehbar.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Markierungselemente ein Messraster ausbilden. Denkbar ist beispielsweise, Messraster optisch auszuwerten, was einfach möglich ist. Hierdurch ist es einfach und sicher, als auch automatisiert möglich, den Herstellungsprozess zu überwachen, z. B. bei der Endlosfasertapeherstellung ausgehend von der Faserorientierung bis hin zum Halbzeug (Tape), sowie bis hin zum fertigen Bauteil.
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Außerdem ist möglich, dass die Markierungselemente regelmäßig voneinander beabstandet auf dem faserverstärkten Thermoplastmaterial verteilt sind. Denkbar ist beispielsweise, dass die Markierungselemente ein regelmäßiges Messraster ausbilden, wobei das Messraster Messpunkte in einer bestimmten Musteranordnung aufweist, z. B. in 45°-Orientierung mit einem bestimmten Abstand. Weiter ist möglich, dass die Messpunkte mit 1 cm voneinander beabstandet mit einer 45°-Orientierung, d. h. in z. B. mehreren Reihen, die eine 45°-Orientierung bezogen auf z. B. eine Kante, auf dem faserverstärkten Thermoplastmaterial verteilt sind. Denkbar ist in diesem Zusammenhang, dass jegliche Orientierung in einem Winkelbereich zwischen 0° bis 90° beispielsweise abhängig vom Anwendungsfall gewählt werden kann.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das faserverstärkte Thermoplastmaterial ein Tape, ein Gewebe oder dergleichen ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass derartige faserverstärkte Thermoplastmaterialien in Form eines Tapes, eines Gewebes oder dergleichen einfach weiterverarbeitet werden können. Das Tape kann ein verformbares oder drapierbares Tape sein. Gleiches gilt auch für das Gewebe oder vergleichbare Materialien, die ebenfalls verformbar oder drapierbar sein können.
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Darüber hinaus ist möglich, dass das Markierungselement durch Farbe und/oder durch Einlasern und/oder durch ein in das faserverstärkte Thermoplastmaterial eingebrachtes und/oder eingesetztes Kontrastelement oder dergleichen ausgebildet ist. Das Aufbringen von Farbe oder ein Einlasern ermöglicht ein einfaches und zugleich genaues Aufbringen eines oder auch mehrerer Markierungselemente.
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Ferner ist denkbar, dass das Markierungselement in der ersten Position eine erste Form aufweist, wobei die Form insbesondere durch z. B. Verformung oder Drapierung des Thermoplastmaterials veränderbar ist. Außerdem ist möglich, dass das Markierungselement in der zweiten Position eine zweite Form aufweist, die von der ersten Form abweicht. Hierdurch lässt sich ebenfalls der Verformungsprozess/Drapiervorgang leichter nachvollziehen.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Markierungselement derart auf einer Oberfläche des faserverstärkten Thermoplastmaterials angebracht ist, dass es sichtbar ist. Dies erleichtert z. B. eine optische Auswertbarkeit der Anordnung des Markierungselementes.
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Außerdem ist möglich, dass wenigstens ein Markierungselement auf einer Oberfläche des faserverstärkten Thermoplastmaterials aufgebracht ist und/oder dass wenigstens ein Markierungselement in einer Oberfläche des faserverstärkten Thermoplastmaterials eingebracht ist. Hierdurch wird das Aufbringen beziehungsweise Einbringen der Markierungselemente erleichtert, und es ist darüber hinaus einfach, eine optische Auswertung der Markierungselemente sowohl mittels optischer Auswerteverfahren, aber auch mit bloßem Auge zu ermöglichen.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Faserverbundwerkstoffbauteil. Danach ist vorgesehen, dass ein Faserverbundwerkstoffbauteil zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Thermoplastmaterial mit mindestens einem Markierungselement besteht. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass das Faserverbundwerkstoffbauteil zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Thermoplastmaterial besteht.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Thermoplastmaterials. Danach ist vorgesehen, dass bei einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Thermoplastmaterials auf und/oder an dem Thermoplastmaterial im unverformten Zustand des Thermoplastmaterials wenigstens ein Markierungselement in einer ersten Position angebracht wird, wobei insbesondere der unverformte Zustand nach der Herstellung des Thermoplastmaterials ist, und dass das Markierungselement durch z. B. Verformung oder Drapierung in wenigstens eine zweite Position überführbar ist, die unterschiedlich von der ersten Position ist.
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Sämtliche vorgenannten Merkmale und Vorteile betreffend das faserverstärkte Thermoplastmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung sowie der hierzu beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen gelten ebenfalls für das Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Thermoplastmaterials.
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Insbesondere kann weiter vorgesehen sein, dass das faserverstärkte Thermoplastmaterial ein Tape, ein Gewebe oder dergleichen ist. Das Tape oder Gewebe oder dergleichen kann vorteilhafterweise verformbar/drapierbar sein.
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Des Weiteren ist denkbar, dass das Markierungselement durch Farbe und/oder durch Einlasern und/oder durch ein in das faserverstärkte Thermoplastmaterial eingebrachtes und/oder eingesetztes Kontrastelement oder dergleichen ausgebildet wird.
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Weiter ist möglich, dass das Markierungselement in der ersten Position eine erste Form aufweist, wobei die Form insbesondere durch Verformung des Thermoplastmaterials veränderbar ist.
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Darüber hinaus ist denkbar, dass mehrere Markierungselemente vorgesehen sind und/oder dass die Markierungselemente ein Messraster ausbilden.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Markierungselemente regelmäßig voneinander beabstandet auf dem faserverstärkten Thermoplastmaterial verteilt sind.
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Es ist auch denkbar, dass das wenigstens eine Markierungselement derart auf einer Oberfläche des faserverstärkten Thermoplastmaterials angebracht ist, dass es sichtbar ist. Weiter ist möglich, dass das wenigstens eine Markierungselement auf einer Oberfläche des faserverstärkten Thermoplastmaterials aufgebracht ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Markierungselement in eine Oberfläche des faserverstärkten Thermoplastmaterials eingebracht ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Thermoplastmaterials zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffbauteils;
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2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes faserverstärktes Thermoplastmaterial; und
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3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Faserverbundwerkstoffbauteil.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung des erfindungsgemäßen faserverstärkten Thermoplastmaterials 10.
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Dabei wird beispielsweise ein endlos faserverstärkter Thermoplast in Form eines Tapes oder eines Gewebes mittels zweier Förderwalzen 20, 22 extrudiert/imprägniert und mittels der Förderwalzen 20, 22 weiterbefördert. In den Thermoplast können z. B. zur Verstärkung Kohlefasern eingebracht sein. Denkbar ist aber auch die Verwendung jeglicher anderer geeigneter Fasern, z. B. von Glasfasern.
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Nach den Förderwalzen 20, 22 ist eine Markierungsvorrichtung M vorgesehen, mittels derer Markierungselemente 30 auf das unverformte faserverstärkte Thermoplastmaterial 10 aufgebracht werden. Erhalten wird dadurch ein faserverstärktes Thermoplastmaterial 10 mit Markierungselementen 30, die beispielsweise bedingt durch die Herstellung des endlosfaser Tapes in Faserrichtung verlaufen.
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Die Markierungselemente 30 können durch Farbe und/oder durch Einlasern auf dem Thermoplastmaterial 10 aufgebracht werden. Denkbar ist auch, dass die Markierungselemente 30 durch wenigstens ein in das faserverstärkte Thermoplastmaterial 10 eingebrachtes und/oder eingesetztes Kontrastelement oder dergleichen ausgebildet sind.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird mittels Lasern ein Messraster bestehend aus einer Vielzahl von Markierungselementen 30 ausgebildet. Dabei sind die Markierungselemente 30 regelmäßig voneinander beabstandet auf dem faserverstärkten Thermoplastmaterial 10 verteilt.
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Die Markierungselemente 30 befinden sich nach dem Aufbringen auf dem unverformten Thermoplastmaterial 10 in ersten Positionen zueinander und sind gleichzeitig zueinander auch gegenseitige Bezugspunkte mit jeweils vordefinierten Abständen. Kommt es nun zu einer Verformung, nimmt z. B. ein Markierungselement 30 bezogen auf ein anderes, z. B. benachbartes Markierungselement 30 eine neue, zweite Position ein.
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Folglich kann eine Verformung des Thermoplastmaterials 10 einfach überwacht und nachvollzogen werden, da diese anhand der Wanderung des Markierungselementes 30 von der ersten Position zur zweiten Position nachvollziehbar ist.
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Grundsätzlich ist eine Überwachung der Verformung des Thermoplastmaterials 10 auch bereits mit nur einem Markierungselement 30 möglich. Wenn beispielsweise eine Kante des Thermoplastmaterials 10 als Bezugspunkt dient, kann anhand der Wanderung des Markierungselementes 30 bezogen auf den Bezugspunkt die Verformung des Thermoplastmaterials 10 überwacht werden.
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Die Markierungselemente 30 können eine erste Form aufweisen, wobei die Form insbesondere durch Verformung des Thermoplastmaterials 10 veränderbar ist. Im in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Markierungselemente 30 die Form von Punkten. Durch eine Verformung des Thermoplastmaterials 10 wird diese Form verändert, so dass die Markierungselemente 30 dann z. B. eine ovale Form annehmen.
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Wie dies weiter aus 2 ersichtlich ist, sind die Markierungselemente 30 derart auf einer Oberfläche des Thermoplastmaterials 10 angebracht, dass sie sichtbar sind. Durch das Lasern sind die Markierungselemente 30 auf bzw. in die Oberfläche des faserverstärkten Thermoplastmaterials 10 eingebracht bzw. aufgebracht.
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Das Messraster ist, wie in 2 gezeigt, ein Messraster aus regelmäßig beabstandeten Messpunkten in 45°-Orientierung. Die 45°-Orientierung ergibt sich dadurch, dass die Reihen mit den Messpunkten, d. h. den Markierungselementen 30, in einem Winkel von 45° bezogen auf die Kanten des faserverstärkten Thermoplastmaterials 10 angeordnet sind. Denkbar ist beispielsweise, die Markierungselemente 30 wie hier gezeigt in einem Abstand von 10 mm zueinander anzubringen.
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3 zeigt die optische Vermessung des umgeformten erfindungsgemäßen faserverstärkten Thermoplastmaterials 10 zu einem Faserverbundwerkstoffbauteil 100 gemäß der Erfindung. Wie aus 3 gut ersichtlich ist, erlaubt das Messraster auf der Oberfläche, Falten auf der Oberseite des Faserverbundwerkstoffbauteils 100 mit bloßem Auge zu erkennen. Auch ist es möglich, hohe Scherwinkel auf der fest eingespannten Seite des Faserverbundwerkstoffbauteils 100 zu erkennen, wobei hier keine Falten aufgetreten sind. Grundsätzlich ist denkbar, die optische Vermessung auch automatisiert durchzuführen.
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Durch die Umformung im Herstellungsprozess des Faserverbundwerkstoffbauteils 100 aus dem faserverstärkten Thermoplastmaterial 10 verändert sich das durch die Punkte dargestellte Muster auf dem Faserverbundwerkstoffbauteil 100, so dass eine Überprüfung der Faserverbundwerkstoffbauteile 100 hinsichtlich Scherung und allgemeiner Phasenlagenänderungen durch optische Messung möglich ist. Durch dieses Verfahren können die Prozesse und Produkte hinsichtlich ihrer Qualität überwacht werden.
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Dabei kann man entweder alle oder auch nur einen kleineren Teil, zum Beispiel jedes hundertste Bauteil, mit der Messung überprüfen.
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Diese Überprüfung kann jeweils nach den einzelnen Prozessschritten durchgeführt werden, wodurch die Qualität jedes einzelnen Schrittes überwacht werden kann. Außerdem kann festgestellt werden, bei welchem Fertigungsschritt der Fehler aufgetreten ist. Folglich ist es möglich, den gesamten Herstellungsprozess eines Faserverbundwerkstoffbauteils 100 bis hin zum fertigen Bauteil abzusichern. Dadurch ist eine kontinuierliche Qualitätskontrolle und zudem auch eine relativ genaue Analyse möglich. Insbesondere können auch schnell Fehler in den einzelnen Prozessschritten einfach und sicher erkannt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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