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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen Bauteilen aus Faser-Verbundwerkstoffen aus mindestens zwei Lagen von vorkonfektionierten Faser-Verbundwerkstoffen und oder Verbundwerkstoffgelegen, die jeweils von einem Endlos -Band abrollen.
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Stand der Technik
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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.
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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 Organoblechen, 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 mit dem Umformverfahren Spritzgießen hergestellt.
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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.
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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.
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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 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.
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Aus der
GB 2 041 824 A ist ein Verbundmaterial aus Kohlenstofffaser- verstärktem Kunststoff in Kombination mit Metalldrahtgewebe bekannt. Dabei ist das Verbundmaterial alternierend aus dem verstärkten Kunststoff und dem Metallgelege aufgebaut.
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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 Kunststoffschichten ist dabei nicht ausgeführt.
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Aus der
WO 2009 042 225 A2 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.
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US 2009 / 0 301 642 A1 zeigt Verbundmaterial, das von Rollen abgerollt auf einem Bearbeitungstisch zusammengeführt wird. Das Material enthält dabei unterschiedliche Gewebe, die Fasern in unterschiedlichen Richtungen aufweisen, es sind aber keine Gelege auf einem Endlosband und keine vorkonfektionierten Gelege, die in Form und Struktur vordefiniert sind und in der Zielposition auf dem Bearbeitungstisch, oder in der Zuschnittposition abgelegt werden, vorhanden.
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EP 2 377 673 A2 zeigt das Übereinanderlegen von Faserbändern mit Fasern unterschiedlicher Orientierung. Auch hieraus ist kein Hinweis auf eine Konfektionierung von Gelegen gegeben, die positionsgetreu abgelegt werden.
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Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, ein rohrförmiges 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.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von rohrförmigen Bauteilen aus Faser-Verbundwerkstoffen in einem industriell einsetzbaren Endlosprozess mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das Verfahren stellt rohrförmige Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen mit mindestens zwei Lagen aus vorkonfektionierten Faserverbundstoffen und Faserverbundgelegen her, die jeweils von einem Endlosband abrollen. Das Bauteil wird dabei auf einen Träger aufgerollt. 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.
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Es ist von Vorteil, dass die Richtung, in der das Aufrollen stattfindet, von einem Endlosband vorgegeben ist.
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Vorteilhafterweise werden die vorgelegten Lagen in mindestens einer Umdrehung auf der Trägerkonstruktion aufgerollt.
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Die vorgefertigten Rollen werden seitlich senkrecht zur Aufrollrichtung entnommen.
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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 diese dieser Basisschicht wird das gesamte Bauteil aufgebaut.
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Mindestens eines der weiteren Endlosbänder weist 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.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Endlosbänder senkrecht zueinander abgerollt, allerdings ist auch eine parallele Einbringung der Endlosbänder zur Zuschneidestation möglich.
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Vorteilhafterweise werden die Lagen des Faserverbundwerkstoffes in der Zuschnittposition miteinander verbunden.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
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Es zeigt:
- 1 ein beispielhaftes Bauteil
- 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens
- 3 ein weiteres beispielhaftes Verfahren
- 4 eine Seitenansicht
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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 Kunststoffmatrix.
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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 Schichtebenen 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 und vorkonfektionierten Metallgelege und faserverstärkten Stücke soll automatisiert ablaufen.
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Im unteren Teil der 1 ist ein rohrförmiges Bauteil aufgezeigt, das durch das Aufrollen der vorher gelegten planen Lagen entsteht. Das vorbereitete Bauteil 10 wird durch das Aufrollen der Lagen vorgeformt und wird entweder in einem Autoklaven ausgehärtet oder mithilfe von RTM- Verfahren mit einer Formmasse verpresst und unter Wärme und Druck ausgehärtet. Die Lagen lassen sich optimal herstellen, wenn das plane Gelege durch ein Aufrollen über 360° hinaus noch besser und optimaler vorbereitet wird. Dadurch lassen sich rohrförmige Bauteile mit sehr speziellen Eigenschaften erstellen. Die Gelege aus Metall oder Fasern müssen nicht übereinander geschichtet werden, also in z-Richtung übereinander angeordnet sein. Sie können entlang der x-, y-Richtungen eingesetzt werden und finden sich nach dem Aufrollen übereinander wieder.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau zur Herstellung eines Bauteils 10. Als zentrale Station 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.
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Die unterste oder Basisschicht des ersten faserverstärkten Verbundmaterials 13 ist eine gleichmäßige Schicht aus vorimprägniertem Material, das in diesem Beispiel keine Verstärkungen Gelege oder Einlagen aufweist und mit gleichmäßiger Dicke und Struktur die Grundlage des nachfolgenden verstärkenden Aufbaus liefert.
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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.
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Nach der Zuschneidestation 5 wird aus dem Endlosband 13 sowie den darauf abgelegten Gelegen mit Hilfe einer Trägerkonstruktion ein rohrförmiges Bauteil hergestellt. Unterhalb der Zusschneidestation wird das aus geschnittenen Lagen bestehende Bauteil 10 an einem Ende 32 der planen Lage gefasst und auf einen Träger 30 mit geeigneten Durchmesser aufgerollt. Dabei wird vorzugsweise das Basisträgerband 13 erfasst und mitsamt seinen aufgebrachten Gelegen auf einer Trommel 31 aufgerollt.
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Nach diesem Herstellungsschritt wird das rohrförmige Bauteil von der Trägerkonstruktion geschoben oder alternativ mit der Trommel verschoben und das geschnittene und gerollte Bauteil in die warmumformenden Werkzeuge 6 übergeben.
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Die in der Zuschneidestation 5 aufeinander geschichteten Gelege 7 können vor dem Rollen und Übergeben in das warmumformende 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.
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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 faserverstärkten 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.
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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.
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Nach der Übergabe des vorgeschnittenen Bauteils 10 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.
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Der finale Zuschnitt des Bauteils 10 muss nicht in der Zuschneidestation 5 erfolgen, es ist auch möglich ein Rohbauteil in den 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 keinen 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.
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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.
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Der Verbindungsprozess kann dabei direkt nach dem Schichten der einzelnen faserverstärkten Kunststoffschichten eingesetzt werden oder nach dem Imprägnieren der Fasern mit Harz oder Thermoplasten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Rolle / Trommel
- 2
- zweite Rolle / Trommel
- 3
- erstes Band
- 4
- zweites Band
- 5
- Zuschneidestation
- 6
- Werkzeug
- B1, B2, B3
- Bereiche
- 7
- Gelege
- 8
- Trägermaterial
- 9
- dritte Rolle
- 10
- Bauteil
- 11
- drittes Endlosband
- 12
- drittes Fasermaterial
- 13
- Erstes Fasermaterial
- 14
- zweites Fasermaterial
- 20
- Walzen
- 30
- Trägerkonstruktion
- 31
- Rolle / Trommel
- 32
- Kante
