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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere von mit Kohlenstofffasern oder Kevlar verstärkten Kunststoffen. Solche Materialien werden im Flugzeugbau, im Fahrzeugbau sowie bei der Herstellung von Rotorblättern z. B. für Windkraftanlagen verbreitet eingesetzt.
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Technischer Hintergrund
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Faserverstärkte Kunststoffe bestehen aus Verstärkungsfasern, die in eine Matrix aus duroplastischem oder thermoplastischem Kunststoff eingebettet sind. Zur Herstellung von Werkstücken aus derartigen Materialien gibt es verschiedene Verfahren, bei denen die Durchdringung der Verstärkungsfasern durch die Matrix auf unterschiedliche Weise erreicht wird: althergebracht werden durch Laminieren einzelne Schichten aus trockenen Fasermaterial manuell mit Harz getränkt und das Harz chemisch ausgehärtet. Moderne Verfahren verwenden dagegen mit reaktionsfähigem Harz oder auch mit thermoplastischem Matrixmaterial vorimprägnierte Verstärkungsfasern oder nicht imprägnierte Verstärkungsfasern, die anschließend mit Harz oder thermoplastischem Matrixmaterial infundiert werden. Wird aus trockenen Fasersträngen oder Faserbändern zunächst ein Vorformling gebildet, der anschließend mit dem Matrixmaterial infundiert werden kann, so spricht man von Trockenfaserlegeprozessen oder englisch Dry Fibre Placement (DFP). Anschließend wird der Vorformling aus trockenem Fasergelege mit Matrixmaterial infundiert. Dazu kann allseitig eine Folie aufgebracht werden, so dass zugegebenes Harz oder thermoplastisches Matrixmaterial durch Anlegen von Vakuum durch den Vorformling geleitet wird.
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Bessere Materialeigenschaften können erreicht werden, wenn das Faser-Volumen-Verhältnis möglichst hoch ist. Zwar genügen für geringe Anforderungen Werkstücke mit niedrigen Faservolumenverhältnissen, die eine höhere Dichte bei geringerer Festigkeit aufweisen. Um bessere Materialeigenschaften zu erreichen, wird das Fasermaterial starker verdichtet, so dass weniger Matrixmaterial im fertigen Produkt enthalten ist. Je starker kompaktiert das Fasermaterial ist, desto schwieriger wird es, das Fasermaterial vollständig mit Matrixmaterial zu durchdringen, ohne das unbenetzte Bereiche oder Luftblasen im Werkstück verbleiben.
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Daher hat es nicht an Versuchen gefehlt, dass Faser-Volumen-Verhältnis zu optimieren und zugleich eine vollständige Durchdringung oder Infusion des Fasermaterials mit Matrixmaterial zu ermöglichen.
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Zum einen kann das Legen der Faserbänder oder -stränge automatisiert mit einem automatischen Faserlegeapparat durchgeführt werden. Zum anderen können die trockenen Fasern durch Vernähen oder vorheriges Beschichten mit einem klebrigen Material, oft als Binder bezeichnet, am Verrutschen gehindert werden. All dies kann dazu beitragen, möglichst dicht gelegte Fasern zu erhalten. Wenig überraschend ist es nicht ohne weiteres möglich, eine vollständige Infusion mit Matrixmaterial zu erreichen, wenn das Fasermaterial sehr dicht gepackt ist. Vielmehr besteht das Risiko, dass anschließend Teilbereiche nicht mit Harz durchsetzt sind, was zu einem fehlerhaften oder zumindest nicht optimalen Bauteil führt.
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Die Schrift
DE 69003987 T2 offenbart einen Fasertrenner für die Herstellung von faserverstärkten Körpern, bei dem ein Faserbündel in einzelne Fasern aufgetrennt werden kann, wobei das Faserbündel für eine Faserbehandlung abgeflacht wird und der Fasertrenner eine zusammengesetzte Separierwalzenanordnung umfasst, die aus mehreren Walzenelementen derselben Größe mit balligem Profil im axialen Querschnitt zusammengesetzt ist. Eine verbesserte Infusion von Fasermaterial mit Matrixmaterial wird in diesem Dokument nicht angesprochen.
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Die Schrift
US 2010/0098906 A1 offenbart perforierte Stränge aus mit Matrixmaterial imprägnierten Strängen von Verstärkungsfasern sowie ein Lochungswerkzeug das eine mit Nadeln besetzte Rolle darstellen kann. Eine verbessertes Einleiten von Matrixmaterial in trockenes, nicht harzhaltiges Fasermaterial wird in diesem Dokument nicht offenbart.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Dem Stand der Technik fehlte es also an einem Verfahren, das Ablegen von Fasern auf eine Weise erlaubt, so dass eine ausreichende Permeabilität oder Durchdringbarkeit des Trockenfasergeleges für Verstärkerharz oder thermoplastisches Matrixmaterial ermöglicht und zugleich hohe Faser-Volumen-Verhältnisse erreicht wird. Weiter fehlte es an Vorrichtungen, die ein solches Verfahren ermöglichen. Zwar gibt es Ansätze, dies durch zwischen die einzelnen Faserlagen eingebrachte Vliesstoffe oder wie oben geschildert durch Vernähen der Faserbündel zu erreichen. Beide Lösungen erlauben keine weitere Steigerung des Faser-Volumen-Verhältnisses.
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Nach alledem hat sich für den Fachmann überraschend herausgestellt, dass eine Vorrichtung zum Fördern und Formen von Bändern oder Strängen aus Verstärkungsfasern (2) in einem Trockenfaserlegeprozess zur Herstellung eines Vorformlings, umfassend eine Formungseinheit (3) und eine Ablege- und Perforiereinheit (4), die es erlauben die Permeabilität des Vorformlings für ein Infusionsmittel erhöhen, dadurch gekennzeichnet, dass die Formungseinheit (3) wenigstens eine Rolle oder Scheibe mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt aufweist, die mit den Bändern oder Strängen aus Verstärkungsfasern (2) in Kontakt kommt und die Ablege- und Perforiereinheit (4) wenigstens eine mit Nadeln oder Stiften besetzten Rolle oder Scheibe aufweist, den Nachteilen des Standes der Technik abhilft. Durch die Rollen oder Scheiben werden die Fasern deformiert und es entstehen örtlich Bereiche mit geringerer Permeabilität für ein Infusionsmittel. Es lassen sich Bauteile mit Faser-Volumen-Verhältnissen von bis zu 70% erreichen, ohne dass nicht infundierte und damit später fehlerhafte Bereiche auftreten. Die Scheiben oder Rollen können auch aus Elastomer bestehen. Es ist bevorzugt, wenn die Rolle, Rollen, Scheibe oder Scheiben mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt der Formungseinheit (3) einen kreisförmigen Querschnitt mit zusätzlichen Rippen (11), Wellen (12) oder Vielecken (13) darstellen oder einen ovalen oder einen exzentrischen Querschnitt aufweisen. Weiter bevorzugt ist es, wenn wenigstens eine Rolle oder Scheibe mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt der Formungseinheit (3) mehrere Scheiben mit einem kreisförmigen Querschnitt mit zusätzlichen Rippen (11), Wellen (12) oder Vielecken (13) umfasst oder aus ihnen gebildet wird, die übereinander gestapelt angeordnet sind und eine gemeinsame Drehachse (6) aufweisen. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn wenigstens zwei Rollen oder Scheiben mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt der Formungseinheit (3) einander gegenüber liegend angeordnet sind, so dass sie mit den Bändern oder Strängen aus Verstärkungsfasern (2) in Kontakt kommen, besonders bevorzugt sind die Rollen oder Scheiben mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt der Formungseinheit (3) so angeordnet, dass sie sich auf der Schmalseite der Bänder oder Stränge aus Verstärkungsfasern (2) befinden. Weiter bevorzugt ist es, wenn die zwei einander gegenüber liegend angeordneten Rollen oder Scheiben mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt der Formungseinheit (3) in ihrer Bewegung synchronisiert sind, so dass die Abschnitte mit jeweils größerem Durchmesser (7) im Wesentlichen gleichzeitig den Faserstrang treffen. Besonders bevorzugt ist es, wenn der von der Kreisform abweichende Querschnitt der Rollen oder Scheiben der Formungseinheit (3) so bemessen ist, dass das Verhältnis seines größten Radius zu seinem geringsten Radius zwischen 1,2 und 1,05 liegt, ganz besonders bevorzugt ist die Abmessung der Abweichung von der Kreisform ihres Querschnittes so bemessen, dass Verengung der Bänder so erfolgt, dass parallel abgelegte Bänder Lücken von höchstens 1 mm aufweisen. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die mit Nadeln oder Stiften besetzten Rolle oder Scheibe der Ablege- und Perforiereinheit (4) mit der breiteren Seite der Bänder oder Stränge aus Verstärkungsfasern (2) in Kontakt kommt. Dabei ist es bevorzugt, wenn die mit Nadeln oder Stiften besetzten Rolle oder Scheibe der Ablege- und Perforiereinheit (4) durch Federn gespannte Stifte oder Nadeln aufweist. Bevorzugt ist es weiterhin, wenn die Nadeln oder Stifte der Rollen der Ablege- und Perforiereinheit (4) so bemessen sind, dass sie die verwendeten Bänder oder Stränge aus Verstärkungsfasern vollständig durchdringen können. Bevorzugt ist es, wenn die Nadeln oder Stifte der Rollen der Ablege- und Perforiereinheit (4) eine gerundete Spitze aufweisen. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Nadeln oder Stifte der Rollen der Ablege- und Perforiereinheit (4) einen runden oder dreieckigen Querschnitt aufweisen und/oder so konturiert sind, dass die Form der Einschnürung der geförderten Bänder oder Stränge (2'') trapezoid, linsenförmig oder reiskornförmig ist. Bei all dem ist es bevorzugt, wenn die Scheiben oder Rollen der Ablege- und Perforiereinheit (4) mit durch Federn gespannte Stifte oder Nadeln so geführt werden, dass die Stifte oder Nadeln die zuvor von den Scheiben oder Rollen mit einem mit Erhebungen versehenen Rand bewirkten Einschnürungen treffen. Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Faserverbundwerkstoff umfassend die Schritte a) Legen von trockenen Verstärkungsfasersträngen oder -bändern zur Herstellung eines Vorformlings; b) Infusion des Vorformlings mit einer Makromoleküle enthaltenden Matrix; c) Härten oder Aushärten der Matrix, dadurch gekennzeichnet, dass beim Legen der trockenen Verstärkungsfasern eine Formungseinheit (3) und eine Ablege- und Perforiereinheit (4) verwendet wird, die es erlauben die Permeabilität des Vorformlings für ein Infusionsmittel zu erhöhen und die Formungseinheit (3) wenigstens eine Rolle oder Scheibe mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt aufweist, die mit den Bändern oder Strängen aus Verstärkungsfasern (2) in Kontakt kommt und die Ablege- und Perforiereinheit (4) wenigstens eine mit Nadeln oder Stiften besetzte Rolle oder Scheibe aufweist. Die Erfindung umfasst weiter ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff erhältlich durch dieses Verfahren. Bevorzugt ist es, wenn die Lochdichte der Lagen 15 1/m bis 100 1/m beträgt; unter Lochdichte ist die Zahl der zwischen den einzelnen Strängen gebildeten Löcher oder Aussparungen durch die Einbuchtungen (20) der einzelnen Stränge bezogen auf die Länge eines einzelnen Stangs zu verstehen. Geeignet ist etwa eine Rolle (5) mit einem Durchmesser zwischen 30 und 80 mm und einer 4-fachen Teilung.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Weitere Kennzeichen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt den grundsätzlichen Verfahrensablauf. 2 zeigt eine Formungseinheit, die Rollen oder Scheiben mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt aufweist. 3 zeigt eine Ablege- und Perforiereinheit mit einer mit Nadeln besetzten Rolle oder Scheibe. 4 zeigt verschiedene Ausführungsformen von Rollen oder Scheiben von Formungseinheiten. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ablege- und Perforiereinheit. 6 zeigt einen Faserstrang nach dem Verlassen der Ablege- und Perforiereinheit sowie mehrere parallel nebeneinander abgelegte Faserstränge.
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Detaillierte Darstellung exemplarischer Ausführungsformen
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(1) zeigt den grundsätzlichen Verfahrensablauf. Von der Vorratsrolle mit Fasermaterial (1) wird ein Faserstrang (2) abgewickelt; anstatt eines Faserstrangs kann auch bandförmiges Fasermaterial eingesetzt werden. Daher soll nachfolgend der Begriff „Faserstrang” auch „Faserbänder” umfassen. Nach dem Abwickeln wird der Faserstrang (2) in einer Formungseinheit (3) gefördert, die Rollen oder Scheiben mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt aufweist. Dabei wird der Faserstrang (2) durch die Rollen oder Scheiben mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt deformiert. Durch die Deformierung können Bereiche mit verringerter Breite des Faserstrangs, die zugleich eine erhöhte Faserdichte aufweisen, entstehen. Nach dem Verlassen der Formungseinheit tritt der bereits deformierte Faserstrang (2') in die Ablege- und Perforiereinheit (4) ein. In dieser Ablege- und Perforiereinheit (4) wird der deformierte Faserstrang (2) durch mit Nadeln besetzten Rollen oder Scheiben abgelegt und zugleich auf seiner flachen Seite eingedrückt und/oder partiell perforiert. Dadurch können kleine Bereiche, an denen lokal die Faserdichte des Faserstrangs verringert ist, entstehen. Der aus der Ablege- und Perforiereinheit (4) austretende Faserstrang (2''), der sowohl Einschnürungen, als auch Perforation aufweisen kann, kann zugleich auf einer Form abgelegt werden, dabei kann sich auf der Form bereits Material, etwa in Form von einer oder mehrerer Faserlagen befinden, auf dem der Faserstrang (2'') abgelegt wird.
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2 zeigt eine Formungseinheit, die Rollen oder Scheiben mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt aufweist, mit einem Faserband oder Faserstrang (2). Die Scheiben oder Rollen können an der schmalen und/oder an der breiten Seite des Strangs ansetzen. Vorzugsweise setzen die Scheiben oder Rollen an der schmalen Seite des Strangs (2) an. Der Faserstrang wird dann von seiner schmalen Seite von den Rollen (5), die von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen, mit den Abschnitten mit jeweils größerem Durchmesser (7) zusammen gedrückt und deformiert, wobei sich die Rollen (5) um die Drehachse (6) drehen. Durch die Deformierung können Bereiche mit verringerter Breite des Faserstrangs, die zugleich eine erhöhte Faserdichte aufweisen, entstehen. Die Rotation der paarweise angeordneten Rollen (5) kann synchronisiert oder unsynchronisiert sein. Bevorzugt und hier dargestellt ist, dass die paarweise angeordneten Rollen (5) so synchronisiert sind, dass die Abschnitte mit jeweils größerem Durchmesser (7) im Wesentlichen gleichzeitig den Faserstrang treffen, wobei die Rotation der paarweise angeordneten Rollen (5) gegenläufig ist. So können durch Einwirkung der Rollen (5) Bereiche des Faserastrangs (5) entstehen, die zugleich eine erhöhte Faserdichte, erhöhte Stärke des Faserstrangs und/oder Einbuchtungen, also Bereiche verringerter Breite aufweisen.
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3 zeigt eine Ablege- und Perforiereinheit. Die mit Nadeln (10) besetzte Rolle oder Scheibe (8) fördert den Faserstrang (2'), indem sie sich um ihre Drehachse (9) dreht und dabei die Nadeln den Faserstrang (2') berühren, fördern und/oder perforieren. Dabei ist eine Mehrzahl von Nadeln entlang des Umfangs der Rolle oder Scheibe (8) verteilt. Die Nadeln können zusätzlich, sofern es die Breite der Rolle oder Scheibe zulässt, über die Breite der Rolle oder Scheibe verteilt sein. Die Nadeln (10) können fest mit der Rolle oder Scheibe verbunden oder federnd gelagert sein. Die Nadeln (10) können weiterhin von der Rolle oder Scheibe ausgehend im Wesentlichen radial, also in gedachter Verlängerung auf die Drehachse (9) weisend angeordnet sein oder einen Winkel zum Radius der Rolle oder Scheibe von bis zu 30° bilden; zusätzlich können die Nadeln nicht senkrecht zur Drehachse und damit nicht senkrecht zur Rotationsebene angeordnet sein, wobei die Winkelabweichung –20° bis 20° betragen kann. Durch nicht radial angeordnete Nadeln wirkt auf die Fasern des Faserstrangs bei der Berührung mit den Nadeln neben der vertikal auf den Faserstrang gerichteten Kraftkomponente eine weitere, tangentiale Kraftkomponente, die eine zusätzliche Verschiebung der Fasern bewirken kann.
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4 zeigt verschiedene Ausführungsformen von Formungseinheiten. Die Formungseinheit (3) kann sowohl Rollen oder Scheiben (5) mit Rippen (11) aufweisen, als auch ellipsenförmige Rollen oder Scheiben (51). Eine weitere Möglichkeit sind Rollen oder Scheiben, die an Wellenräder erinnern und die auf der eigentlichen Rolle oder Scheibe (5) wellenförmige Ausbuchtungen (12) aufweisen. Eine weitere Möglichkeit stellt ein Zahnrad dar, bei dem auf der Rolle oder Scheibe (5) vieleckige Erhebungen (13) angebracht sind. Es kann auch eine Mehrzahl von gleich- oder verschiedenartigen Scheiben (5) vorgesehen werden, die um dieselbe Drehachse (6) in Form eines Stapels angeordnet sind und sich teilweise entlang der Drehachse überlappen, etwa wie bei einer Scheibenegge. Dabei können die einzelnen Scheiben fest mit der Drehachse verbunden sein. Ein Beispiel stellen ellipsenförmige Scheiben (51) dar, die einen Stapel einzelner Scheiben (52) bis (59) bilden. Die Scheiben können von gleicher oder verschiedener Form sein, solange sie sich in ihrer von der Kreisform abweichenden Ausbuchtung (11), (7), (12) oder (13) in Lage und Höhe jeweils unterscheiden.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Ablege- und Perforiereinheit (4). Die Scheibe oder Rolle (8) der Ablege- und Perforiereinheit (4) kann Aussparungen (16) aufweisen, in denen Federn (14) befestigt sein können, welche wiederum Nadeln (15) halten, so dass diese bei Druck in die Aussparungen (16) hinein gedrückt werden können. Die Rückstellkraft der Federn kann so bemessen sein, dass die Nadeln den Faserstrang in gewünschter Weise deformieren oder durchdringen. Die Federn können auch fehlen; dann sind die Nadeln starr in den Aussparungen angebracht. Es ist auch möglich, dass diese mit Nadeln versehenen Scheiben breiter sind und mehreren Nadeln nebeneinander, sei es versetzt oder nicht versetzt aufweisen, wie in 3 gezeigt. Es können je nach Einsatzbereich unterschiedliche Scheiben oder Rollen (8) bereitgehalten und eingesetzt werden, die sich durch ihre Breite, ihren Durchmesser, die Zahl und Anordnung der Nadeln, die Federkonstante der Federn, den Durchmesser, die Länge sowie Form und Querschnitt der Nadeln unterscheiden.
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6 zeigt einen Faserstrang (2'') nach dem Verlassen der Ablege- und Perforiereinheit (4): der Faserstrang (2) weist Einbuchtungen (20) auf, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Je nach der Bewegung oder Gestaltung der einzelnen Scheiben oder Rollen der Formungseinheit (3) beiderseits des Faserstrangs (2) können die Einbuchtungen (20) entweder einander gegenüberliegend oder versetzt angeordnet sein. Durch den Kontakt mit den Nadeln (10) können auf der Oberseite des Faserstrangs (2'') kleine Dellen (22) vergleichbar mit den Dimples eines Golfballs oder sogar Perforierungen (22) vorliegen. In jedem Fall ist die Faserdichte des Faserstranges (2'') an diesen Stellen verringert. Werden mehrere solche Faserstränge parallel nebeneinander abgelegt, so bilden sich freie Bereiche (21) aus den Ausbuchtungen (20) der verschiedenen Faserstrange (2'').
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „einer” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorratsrolle mit Fasermaterial
- 2
- Faserstrang
- 2'
- Deformierter Faserstrang
- 2''
- Deformierter und perforierter Faserstrang
- 3
- Formungseinheit
- 4
- Ablege- und Perforiereinheit
- 5
- Rolle mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt
- 6
- Drehachse
- 7
- Abschnitte mit größerem Durchmesser
- 8
- mit Nadeln besetzte Rolle oder Scheibe
- 9
- Drehachse
- 10
- Nadeln
- 11
- Rippen
- 12
- wellenförmige Ausbuchtungen
- 13
- vieleckige Erhebungen
- 14
- Federn
- 15
- Nadeln
- 16
- Aussparungen
- 20
- Einbuchtungen des Faserstrangs
- 21
- freie Bereiche zwischen Fasersträngen
- 22
- Perforierungen oder Dellen des Faserstrangs
- 51
- ellipsenförmige Scheiben
- 52 bis 59
- Stapel einzelner Scheiben
