DE102014006432A1

DE102014006432A1 - Vorrichtung zur Aufnahme, Orientierung und Ablage von Schnittfasern

Info

Publication number: DE102014006432A1
Application number: DE102014006432.8A
Authority: DE
Inventors: Marco Andre Pöhler
Original assignee: VER ZUR FORDERUNG DES INST fur KUNSTSTOFFVERARBEITUNG IN IND und HANDWERK AN DER RHEIN WESTF TECH HO; Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Current assignee: VER ZUR FORDERUNG DES INST fur KUNSTSTOFFVERARBEITUNG IN IND und HANDWERK AN DER RHEIN WESTF TECH HO; Vereinigung zur Foerderung des Instituts fuer Kunststoffverarbeitung in Industrie und Handwerk an Der Rhein
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2015-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von zwei- oder dreidimensionalen Faserformlingen aus Schnittfasern. Die Schnittfasern können aus einem oder mehreren Materialien zusammengesetzt sein. Die Vorrichtung ermöglicht die Aufnahme von Schnittfasern aus einem oder mehreren Faserspeichern. Mit Hilfe der Vorrichtung können die Schnittfasern während der Aufnahme aus dem Faserspeicher orientiert werden. Nach der Aufnahme und Orientierung der Fasern können diese auf einer Form abgelegt werden. Die Erfindung ermöglicht die lastgerechte Einbringung von Verstärkungsfasern und die endkonturnahe Herstellung von Faserformlingen. Endkonturnah bedeutet, dass die Form des Faserformlings ähnlich der Form des aus dem Faserformling hergestellten Bauteils ist. Hierdurch wird eine materialeffiziente Fertigung erreicht.

Description

Die Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit dem Schnittfasern durch eine Vorrichtung aufgenommen, orientiert und anschließend auf einem Ablagewerkzeug orientiert abgelegt werden können.
Anwendungsgebiet
Bei der Herstellung von Leichtbauteilen werden zunehmend faserverstärkte Kunststoffe (FVK) eingesetzt. Für die Herstellung faserverstärkter Kunststoffe mit lastorientierten Verstärkungsfasern werden typischerweise in einem ersten Herstellungsschritt flächige Halbzeuge aus Verstärkungsfasern hergestellt. Aus diesen werden endkonturnahe Zuschnitte geschnitten. Die Zuschnitte werden dann einzeln weiterverarbeitet oder mehrere Zuschnitte werden zu einem Faserformling zusammengeführt. Die Ausrichtung der Verstärkungsfasern im Faserformling ist dabei von den eingesetzten Fertigungsverfahren abhängig. Der Faserformling kann bereits das Matrixmaterial für die Herstellung eines FVK-Bauteils enthalten oder wird in einem nachfolgenden Prozessschritt mit dem Matrixmaterial imprägniert. Alternativ zu der angegeben Fertigungsvariante können FVK-Bauteile mit Langfaserverstärkung in Pressverfahren verarbeitet werden. Diese Pressverfahren können mit duroplastischen oder thermoplastischen Pressmassen aus Verstärkungsfasern und Matrixmaterial durchgeführt werden. Die Faserorientierungen in diesen Verfahren werden jedoch durch Fließvorgänge bestimmt, so dass die Faserorientierung nur begrenzt gezielt eingestellt werden kann. Eine weitere Variante ist die Herstellung von FVK-Bauteilen in Tapelegeprozessen. Dabei werden vorimprägnierte, thermoplastische Tapes oder Bändchen über einen Legekopf auf einer Form abgelegt. Die Bändchen werden während des Ablegeprozesses kurzzeitig erwärmt und aufgeschmolzen, um die Tapes oder Bändchen auf der Ablegeform zu fixieren.
Stand der Technik
Zur Herstellung hochbelastbarer, faserverstärkter Kunststoffbauteile mit lastgerecht orientierten Verstärkungsfasern müssen zunächst Faserformlinge hergestellt werden.
Diese Vorformlinge können aus unterschiedlichen textilen Halbzeugen, wie z. B. Geweben, Gelegen, Bändchen, Rovings, Organoblechen, hergestellt werden. Diese Halbzeuge können ohne Matrixmaterial oder bereits imprägniert verarbeitet werden.
Die DE 10 2006 025 280 A1 zeigt ein Verfahren, bei dem ein Faserstrang kontinuierlich mit einer thermoplastischen Matrix imprägniert wird. Dieser imprägnierte Faser-/Matrixstrang wird mittels eines Handhabungsgerätes in einer temperierten Vorrichtung zu einem Vorformling gelegt und konsolidiert. Die Fasern werden dabei so ausgerichtet, dass sie eine lastoptimierte Aufnahme der Kräfte im Bauteil ermöglichen.
In DE 102 53 300 A1 wird ein Verfahren beschrieben, mit welchem ein Bauteil aus mehreren Faserhalbzeugen zusammengesetzt wird. Dabei werden zur Kostenreduktion Wirrfaserhalbzeuge verwendet und in den hochbelasteten Regionen endlosfaserverstärkte Einleger eingesetzt. Ein vergleichbarer Ansatz wird in WO 2004/024426 verfolgt. Hierbei werden endlosfaserverstärkte, unidirektionale Einleger mit thermoplastischer Matrix mit einer thermoplastischen, faserverstärkten Pressmasse verarbeitet. Die unidirektionalen Einleger übernehmen hierbei die Hauptlasten.
Weiterhin wird in DE 40 30 269 C2 ein Verfahren beschrieben, mit welchem aus flächigen Faserhalbzeugen Zuschnitte herausgetrennt und diese automatisiert oder manuell zu einem Vorformling zusammengesetzt werden.
In WO 2008110614 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer kraftflussgerechten Faserverbundstruktur beschrieben. Bei dem Verfahren werden Faserbänder, mit einem thermoplastischen Binder beschichtet sind, in definierte Abschnitte geteilt. Diese Faserbänder werden mit einer Vorrichtung aufgenommen, ausgerichtet auf einer Form abgelegt und thermisch fixiert.
Nachteile des Standes der Technik
Die derzeit eingesetzten Verfahren haben verschiedene Nachteile. Bei einem Teil der Verfahren werden flächige Halbzeuge verwendet, aus denen Zuschnitte herausgetrennt werden. Hierdurch entsteht Verschnitt. Abhängig vom Material entstehen hieraus hohe Materialkosten. Weiterhin sind die richtungsabhängigen mechanischen Kennwerte der flächigen Halbzeuge vom Herstellungsverfahren abhängig und die Verfügbarkeit von angepassten Materialkombinationen ist begrenzt.
Die Produktivität der Verfahren, bei denen Bändchen eingesetzt werden, ist aufgrund der geringen Bändchenfläche und Bändchenmasse beschränkt. Aus diesem Grund werden diese Verfahren nur für ausgewählte, hochpreisige Anwendungen eingesetzt.
Durch die Kombination von Pressmassen mit endlosfaserverstärkten Einlegern kann ein hoher Durchsatz erreicht werden. Die Pressmassen haben jedoch den Nachteil, dass die Materialeigenschaften durch undefinierte Faserverschiebungen beim Pressen weiten Schwankungen unterliegen. Hierdurch kann es zu undefinierten Bauteileigenschaften und Bauteilverzug kommen. Darüber hinaus erfordern die Verfahren die Kombination mehrerer Maschinen, wodurch die Komplexität des Fertigungsprozesses hoch ist.
Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen. Das Verfahren ermöglicht die produktive Herstellung von endkonturnahen Faserformlingen in einem einfachen Fertigungsprozess. Hierdurch können Energie und Materialkosten eingespart werden. Zusätzlich können verschiedene Verstärkungsfasern (z. B. Kohlefasern, Aramidfasern, Basaltfasern) sowie Matrix bzw. Binderfasern verarbeitet und kombiniert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Bauteile können durch die Faserausrichtung und den Faservolumengehalt lokal angepasst werden. Darüber hinaus können komplexe dreidimensionale und ebene Faserformlinge hergestellt werden. Eine undefinierte Faserverschiebung im Preform bei der Verarbeitung von thermo- oder duroplastischen Matrixmaterialien wird durch die dreidimensionale, endkonturnahe Faserablage vermieden.
Lösung der Aufgabe
Das Ziel der Erfindung ist die wirtschaftliche Herstellung eines Faserformlings mit lokal angepassten mechanischen Eigenschaften. Die Erfindung löst die Aufgabe durch die Anwendung einer einfachen Verfahrenstechnik zur Verarbeitung von Schnittfasern zu einem Faserformling.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Erfindung als Ausgangsmaterial Schnittfasern verwendet. Schnittfasern können aus nahezu allen Fasermaterialien in beliebigen Faserlängen hergestellt werden. Die Fasermaterialien können dem Prozess aus einem oder mehreren Vorratsbehältern zugeführt werden. Die Fasermaterialien können als Reinmaterial oder als Materialmischung vorliegen. Die Fasern können nicht orientiert oder bereits mit Vorzugsrichtung vorliegen. Verfahrensgemäß werden die Fasern durch die erfundene Vorrichtung aus einem Vorratsbehälter entnommen. Die Vorrichtung ist so konstruiert, dass die Fasern bereits beim Aufnehmen durch mechanische Elemente ausgerichtet werden. Alternativ können die Fasern auch ohne Vorzugsorientierung aufgenommen werden. Die Fläche der Vorrichtung mit der die Fasern aufgenommen werden kann eben oder räumlich gekrümmt sein.
Die erfundene Vorrichtung ermöglicht die Ablage der aufgenommen Schnittfasern auf einer ebenen oder räumlich gekrümmten Form. Durch die Ausrichtung der Vorrichtung beim Ablegen wird die eingebrachte Faserorientierung bezogen auf den Preform angepasst. Es können im Prozess eine oder mehrere Vorrichtungen gleichzeitig oder nacheinander verwendet werden. Die Aufnahmefläche der Vorrichtung kann starr oder flexibel ausgeführt sein und ebenfalls eben oder räumlich gekrümmt sein. Die Ablage der Schnittfasern kann z. B. aerodynamisch, mechanisch oder durch Gravitation erfolgen. Die Fasern können z. B. mechanisch, thermisch oder chemisch miteinander verbunden werden. Durch die einmalige oder wiederholte Ablage der Schnittfasern nebeneinander entsteht ein Faserformling. Mit der Vorrichtung können mehrere Faserlagen übereinander abgelegt werden.
Der Faserformling kann z. B. aus Verstärkungsfasern, Verstärkungsfasern mit Binderfasern oder Verstärkungsfasern mit thermoplastischen Matrixfasern bestehen. Er kann aus einem oder mehreren Fasertypen bestehen. Die Weiterverarbeitung des Faserformlings kann z. B. in Injektionsverfahren, Infusionsverfahren, Sprühimprägnierverfahren und Pressverfahren erfolgen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt einen möglichen Anlagenaufbau zur Herstellung von Preforms mit der beschriebenen Vorrichtung. Als Ausgangsmaterial werden Schnittfasern verwendet. Diese werden dem Prozess in einem Faserspeicher (1) bereitgestellt. Die Fasern werden mir der erfundenen Vorrichtung (2) aus dem Faserspeicher mit oder ohne eingestellte Vorzugsrichtung entnommen. Die Vorrichtung kann automatisiert oder manuell geführt werden. Die Fasern werden mit der Vorrichtung zur Ablageform (3) transportiert und auf der Ablageform abgelegt. Die Ablageform kann z. B. luftdurchlässig ausgeführt sein, um die Ablage und Fixierung der Fasern auf der Ablageform zu ermöglichen. Die 2 zeigt ein Beispiel für die Ablage von Fasern auf einer Ablageform (4). Die Ablageform stellt ein Bauteil mit einem Versteifungsprofil (5) dar. Das Verfahren ermöglicht die lastgerechte Orientierung der Fasern im Bauteil. Im Bereich des Versteifungsprofils werden die Fasern in Richtung des Versteifungsprofils ausgerichtet (7), um optimal Zugkräfte aufnehmen zu können. Der Bereich neben dem Versteifungselement wird mit nicht orientierten Fasern (6) belegt. Ebenso kann der Anteil an Verstärkungsfasern im unorientierten Bereich reduziert werden, um abhängig von den eingesetzten Verstärkungsfasern und Matrixmaterialien Kosten einzusparen. Auf diese Weise kann wirtschaftlich ein komplexer Preform erzeugt werden. Weiterhin können ebenfalls ebene Faserformlinge mit oder ohne Faserorientierung mit dem Verfahren hergestellt werden (3).
Bezugszeichenliste
Fig. 1

1: Faserspeicher
2: Vorrichtung zur Aufnahme, Orientierung und Ablage von Schnittfasern
3: Ablageform

4: Ablageform
5: Versteifungsprofil
6: Abgelegte Fasern, unorientiert
7: Abgelegte Fasern, orientiert

8: Ablageform
9: Abgelegte Fasern, orientiert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006025280 A1 [0005]
DE 10253300 A1 [0006]
WO 2004/024426 [0006]
DE 4030269 C2 [0007]
WO 2008110614 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von flächigen oder dreidimensionalen Faserhalbzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass Schnittfasern mit der Vorrichtung aus einem oder mehreren Faserspeichern aufgenommen, über mechanische Elemente ausgerichtet und auf einer Ablageform abgelegt werden können.
Vorrichtung aus Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine ebene oder räumlich gekrümmte Aufnahmefläche hat.
Vorrichtung und Verfahren aus Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorher nicht bzw. nicht notwendigerweise orientierten Fasern während des Aufnahmeprozesses orientiert werden.
Vorrichtung und Verfahren aus Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass trockene und imprägnierte Fasern verarbeitet werden.
Vorrichtung und Verfahren aus Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern entsprechend der Kontur des Endbauteils auf eine Form abgelegt werden.
Vorrichtung und Verfahren aus Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern derart gerichtet werden können, dass die Ausrichtung der Fasern im Bauteil eine optimale Aufnahme der eingeleiteten Lasten ermöglicht.
Vorrichtung und Verfahren aus Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Faserformling aus der Form entnommen werden kann und in einem räumlich getrennten Werkzeug mit Matrix imprägniert oder konsolidiert wird.
Vorrichtung und Verfahren aus Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Faserformling aus der Form entnommen werden kann und in einem nicht räumlich getrennten Werkzeug mit Matrix imprägniert oder konsolidiert wird.
Vorrichtung und Verfahren aus Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern mit verschiedenen Längen verarbeitet werden können.
Vorrichtung und Verfahren aus Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Kunststofffasern, mineralische Fasern oder Naturfasern verarbeitet werden können.