DE102014219035A1

DE102014219035A1 - Verfahren zur Herstellung von textilen Halbzeugen mittels Faserdirektablage

Info

Publication number: DE102014219035A1
Application number: DE102014219035.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Heim; Remco Zwinderman; Maximilian Marquart
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren bei dem Kohlenstofffaserbänder oder CFK-Fasergewebestapel auf einem Trägermaterial abgelegt werden, wobei das Trägermaterial bevorzugt von einer Rolle in eine Maschinentransportrichtung befördert wird und auf diesem entsprechend der Endkonturgröße eines herzustellenden Faserverbundbauteils passende Kohlenstofffaserbänder oder alternativ Streifen aus unidirektionalen CFK-Gelegen abgelegt werden, so dass der Verschnitt von teurem CFK-Fasermaterial deutlich reduziert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von textilen Halbzeugen sowie Halbzeugstapeln und Preforms gemäß den Merkmalen von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren bei dem Faserbänder oder Fasergewebestapel auf einem Trägermaterial abgelegt werden, wobei das Trägermaterial bevorzugt von einer Rolle in eine Maschinentransportrichtung befördert wird und auf diesem Trägermaterial entsprechend der Endkonturgröße eines herzustellenden Faserverbundbauteils passende Kohlenstofffaserbänder oder alternativ Streifen aus unidirektionalen CFK-Gelegen abgelegt werden, so dass der Verschnitt von teurem Fasermaterial deutlich reduziert werden kann.
Verfahren zur Herstellung von textilen Halbzeugen sowie Halbzeugstapeln und Preforms, die mindestens zwei aufeinandergelegte flächige Halbzeuge aufweisen, sind im Stand der Technik bekannt. Aus der DE 10 2008 018 752 A1 ist zum Beispiel ein solches Verfahren bekannt, bei dem nach dem Legen von mindestens einem flächigen textilen Halbzeug auf ein unteres erstes flächiges textiles Halbzeug die Position(en) und/oder Lage(n) von textilen Fasern oder textilen Faserbündeln in dem unteren ersten flächige textilen Halbzeug oder in mindestens einem unteren flächigen textilen Halbzeug anhand mindestens eines in dem unteren ersten flächigen textilen Halbzeug oder in dem mindestens einen unteren flächigen textilen Halbzeug vorgesehenen Positions- und Legeidentifizierungselements oder eines Positions- und Lageidentifizierungsbildungsfadens durch das obere bzw. das oberste Halbzeug hindurch bestimmt werden.
Innerhalb von faserverstärkten Verbundbauteilen, nachfolgend als Faserverbundbauteile bezeichnet, müssen sowohl die Ausrichtungen der Faserbündel relativ zueinander als auch die Positionen innerhalb eines Geleges oder Gewebes als Ganzes entsprechend der berechneten und zukünftigen Bauteilbelastung erfolgen. Die Einhaltung dieser Positionen und Orientierungen ist erforderlich, da die resultierenden Eigenschaften des Faserverbundbauteils zum großen Teil von der Lage und Orientierung der Verstärkungsfaser im Faserverbundbauteil abhängen.
Für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, auch Faserverbundbauteilen genannt, ist insbesondere in der industriellen Anwendung das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Moulding-Verfahren) gängige Praxis und im Stand der Technik bekannt. Der Herstellungsprozess eines verwendungsfähigen Bauteils aus Faserverbundwerkstoff besteht aus mehreren nacheinander ablaufenden Teilprozessen. Zunächst werden in einem ersten Verfahrensschritt die Faserhalbzeuge d. h. die so bezeichneten Preforms bzw. Prepregs hergestellt. Dieser Prozess stellt den Preform-Prozess dar. Hierbei werden üblicherweise in zweidimensionaler Ausbildung (2D) mehrschichtige Gewebe oder Fasergelege hergestellt, die im Wesentlichen in einer Fertigungsebenebene zusammengefügt werden, derart dass die Preform bereits die notwendigen äußeren Konturen und gegebenenfalls auch bereits spezielle und/oder mehrfache geeignete Lagen oder Schichtdicken aufweist.
Hierzu kann auch ein Bindemittel in die entsprechenden Trennebenen oder in das Gelege selbst eingebracht werden, das nach seiner Aktivierung und/oder Aushärtung zu einer Fixierung der Schichten zueinander und somit zur Festlegung einer definierten 3D-Form führt. In dem weiteren Verlauf des Herstellungsverfahrens wird die Preform in einem Umformwerkzeug oder dergleichen geformt. Je nach Bedarf wird die 3D-Preform nochmals nachgeschnitten. Nach dem Einlegen des Faserhalbzeugs in ein Pressenwerkzeug werden die Werkzeughälften der Presse geschlossen und das erforderliche Harz in die Werkzeugkavität des Werkzeuges injiziert, wobei das Harz die Faserstruktur des Faserhalbzeuges imprägniert, die Fasern einschließt und fest in die Matrix einbindet. Nach dem Aushärten des Harzes kann das ausgehärtete Faserverbundbauteil aus dem Werkzeug entformt werden.
Die Herstellung eines Faserhalbzeuges legt bereits den Grundstein für den Erfolg und die Kosten der Herstellung eines verwendungsfähigen Kunststoffbauteiles. Das Ziel ist es nach der Formgebung des Vorformlings aus einem biegeschlaffen Material einen Vorformling zu erhalten, der biegesteif genug ist um vollständig automatisiert und prozesssicher in das Werkzeug einer RTM-Presse eingelegt werden zu können oder auch bis zur weiteren Verwendung transportiert und abgestapelt werden kann.
Die 3D-Umformung von mehrlagigen zweidimensionalen Zuschnitten aus Fasergeweben erfolgt typischerweise mit den folgenden Verfahrensschritten: Es werden Fasergewebe oder Fasergelege von einer Rolle abgewickelt und je nach Bedarf aus mehreren verschiedenen Geweben oder Gelegen, Formen und Größen zu einem Fasergewebestapel (Stack) zusammengelegt.
Ein Gelege ist demnach ein Flächengebilde, das aus einer oder mehreren Lagen von parallel verlaufenden, gestreckten Fäden besteht. An den Kreuzungspunkten werden die Fäden üblicherweise fixiert. Die Fixierung erfolgt entweder durch Stoffschluss oder mechanisch durch Reibung und/oder Formschluss. Im Stand der Technik sind monoaxiale oder unidirektionale Fadengelege bekannt, die durch das Fixieren einer Schar von parallelen Fäden entstehen, sowie biaxiale Fadengelege, bei denen zwei Scharen von parallelen Fäden in Richtung von zwei Achsen fixiert werden und daneben noch multiaxiale Fadengelege, die aus mehreren Scharen aus parallelen Fäden in unterschiedlicher Orientierung erstellt werden.
Für die Herstellung von Gelegen kommen typischerweise Rovings aus Chemiefaserfilamenten (insbesondere aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Aramiden), Multifilamentgarne aus den gleichen Rohstoffen, aber auch aus hochfestem Polyester, sowie Spinnfasergarne aus Chemiefasern und Naturfasern zum Einsatz. Als Orientierungsrichtung sind Ausrichtungen der Fäden von 0° und 90° (aber auch +45°/–45°) geläufig.
Üblicherweise entsteht im Prozess ein hoher Verschnitt, der jeweils von der zu erstellenden Bauteilform abhängt. Die erzeugten trockenen Gelege werden als Bahnwaren auf Rollen mit typischerweise einer Bahnbreite von 3.022 m aufgewickelt. Da das Zuschneiden beim Herstellen der Stacks entsprechend des Nestings aber von der Rolle mit vorgegebener Rollenbreite erfolgt, kommt es zu dem besagten Verschnitt. Dieser Verschnitt ist auch als Nesting-Verschnitt bekannt. Es wird darüber hinaus beim Umformen von 2D in 3D in der Stempelumformung typischerweise ein Spannrahmen benötigt, der ebenfalls einen nicht nutzbaren Randbereich erforderlich macht.
In dem bekannten Prozess ist es ferner von Nachteil, dass ein weiterer Verschnitt, bedingt durch die Umformung der ebenen Stacks von 2D in 3D im Umformwerkzeug, aufgrund der bauartbedingten Übergangsflächen der Kavität-Niederhalter anfällt. Insgesamt sind die Nestingverluste stark abhängig von der herzustellenden Bauteilkontur, da der gesamte benötigte Materialbedarf sich aus der Größe des herzustellenden Bauteils ergibt, zuzüglich den Beträgen für die Durchbrüche im CFK-Bauteil, den Prozessflächen im RTM Werkzeug und den Prozessflächen der Preform.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein kostengünstiges und materialsparendes Verfahren zur Herstellung von Preforms bereitzustellen, bei dem insbesondere der Nesting-Verschnitt und der sonstige Verschnitt reduziert wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die Fasergewebestapel auf einem günstigen Trägermaterial abzulegen, wobei das Trägermaterial bevorzugt von einer Rolle in eine Maschinentransportrichtung befördert wird und auf diesem Trägermaterial entsprechend der Endkonturgröße des herzustellenden Faserverbundbauteils in Länge und Position passende Kohlenstofffaserbänder oder alternativ Streifen aus unidirektionalen CFK-Gelegen abgelegt werden, so dass der Verschnitt von teurem CFK-Fasermaterial merklich reduziert werden kann.
Erfindungsgemäß wird demnach ein Verfahren zur Herstellung von textilen Preforms für ein Faserverbundbauteil mit wenigstens den folgenden Zwischenschritten vorgeschlagen:

a. Bereitstellen eines Trägermaterials auf einer 2D-Montageebene und Transportieren des Trägermaterials in einer Transportrichtung;
b. Ablage von einer Vielzahl d. h. erforderlichen Anzahl von unidirektionalen Kohlenstofffaserbändern auf einem Trägermaterial, wobei die Ablage der unidirektionalen Kohlenstofffaserbändern in Länge und Position entsprechend einer korrespondierenden Bauteilendkontur des daraus herzustellenden 3D-Faserverbundbauteils erfolgt;
c. Fixieren der Kohlenstofffaserbänder am Trägermaterial.

Im Anschluss daran können die weiteren Verfahrensschritte zum Herstellen der Preform sowie der Umformung zum verwendungsfertigen Faserverbundbauteil erfolgen.
Es können in Schritt a) alternativ zu den unidirektionalen Kohlenstofffaserbändern auch eine Vielzahl von Streifen aus unidirektionalen CFK-Gelegen abgelegt werden. In beiden Fällen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Ablage in Schritt a) gemäß einem definierten Legemuster erfolgt. Je nach Legemuster kann der Materialverbrauch – sprich der Verschnitt – zur Realisierung einer bestimmten Endkontur reduziert und dadurch eine besonders kostengünstige Herstellung realisiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragt das Trägermaterial über die Bauteilendkontur heraus. Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, wenn beim Verfahrensschritt b) die Kohlenstofffaserbänder bzw. die CFK-Gelegen mit dem Trägermaterial vernäht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kohlenstofffaserbänder während des Ablageprozesses im Verfahrensschritt a) auf ein definiertes Flächengewicht gespreizt. Durch diese Maßnahme kann das gewünschte Flächengewicht entsprechend dem Spreizfaktor ausgehend von dem Flächengewicht des ungespreizten CFK-Materials erzielt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Trägermaterial ein Glasfasermaterial darstellt.
Es ist in einem alternativem Verfahrensablauf vorgesehen, dass die Ablage der Kohlenstofffaserbändern oder der Streifen aus CFK-Gelegen in Schritt a) zunächst auf einer Hilfsvorrichtung erfolgt und im Anschluss daran die erzeugte Ablage mittels einer Handlingsvorrichtung auf dem Trägermaterial platziert wird.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Fertigungslinie zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine Aufsicht auf die Fertigungslinie gemäß 1.
In den 1 und 2 sind lediglich beispielhaft mittels einer stark vereinfachten Darstellung Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, wozu eine schematische Seitenansicht einer Fertigungslinie 3 dargestellt ist. Die Fertigungslinie 3 weist eine Zuführvorrichtung 4 zur Zuführung eines Glasfaserträgermaterials 11 von der Rolle 5 auf. Das Glasfaserträgermaterial 11 wird über eine Transport- und Andrückwalze 6 auf die Oberseite eines Transportbandes 7 gedrückt, welches von Rollenantrieben 8 angetrieben wird, um das Glasfaserträgermaterial 11 in Transportrichtung T zu bewegen. In einer ersten Arbeitsstation A erfolgen das „Lagendrucken” und damit die Ablage von einer Vielzahl von unidirektionalen Kohlenstofffaserbändern 10 auf dem Trägermaterial 11. Die Zuführung der Kohlenstofffaserbänder 10 erfolgt über eine Rovingzuführung 9, wobei die Ablage der unidirektionalen Kohlenstofffaserbändern 10 in Länge und Position entsprechend der Bauteilendkontur 13 des herzustellenden Faserverbundbauteils erfolgt. Ferner werden die Kohlenstofffaserbänder 10 während des Ablageprozesses in Schritt a) auf ein definiertes Flächengewicht mittels einer nicht dargestellten Spreizvorrichtung gespreizt. Wie ferner in der Aufsicht nach 2 zu erkennen ist, erfolgte die Ablage der Kohlenstofffaserbänder 10 gemäß einem definierten Legemuster.
In einer nächsten Arbeitsstation B erfolgt das Vernähen und damit das Verbinden der Kohlenstofffaserbänder 10 mit dem Trägermaterial 11 mit Hilfe einer 2D-CNC-Portalnähmaschine 14.
Es ist in der 2 zu erkennen, dass die Breite des Trägermaterials 11 so gewählt ist, dass dieses über die Kohlenstofffaserbänder 10 hinausragt, wobei die jeweiligen Kohlenstofffaserbänder 10 mit ihren Endabschnitten 10a, 10b über die Bauteilendkontur 13 ein Stück weit hinausragen. Danach wird der vernähte Gewebestapel 15 zu einer Trennvorrichtung 16 transportiert und das Trägermaterial 11 quer zur Transportrichtung T durchtrennt, um so den separierten Gewebestapel 15 auf einen Transportträger 17 zum Weitertransport zu befördern.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008018752 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung von textilen Halbzeugen (1) oder Halbzeugstapeln (1') für ein Faserverbundbauteil mit wenigstens den folgenden Zwischenschritten: a. Bereitstellen eines Trägermaterials (11) auf einer 2D-Montageebene und Transportieren des Trägermaterials in einer Transportrichtung (T); b. Ablage von einer Vielzahl von unidirektionalen Kohlenstofffaserbändern (10) auf dem Trägermaterial (11), wobei die Ablage der unidirektionalen Kohlenstofffaserbändern (10) in Länge und Position entsprechend einer korrespondierenden Bauteilendkontur (13) des daraus herzustellenden 3D-Faserverbundbauteils erfolgt; c. Fixieren der Kohlenstofffaserbänder (10) am Trägermaterial (11) zu einem Gewebestapel (15).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (11) über die Bauteilendkontur (13) hinausragt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) derart erfolgt, dass die Kohlenstofffaserbänder (10) mit dem Trägermaterial (11) vernäht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffaserbänder (10) während des Ablageprozesses in Schritt a) auf ein definiertes Flächengewicht gespreizt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein Glasfasermaterial darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) alternativ eine Vielzahl von Streifen (12) aus unidirektionalen CFK-Gelegen abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablage in Schritt a) gemäß einem definierten Legemuster erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablage der Kohlenstofffaserbändern (10) oder der Streifen (12) in Schritt a) zunächst auf einer Hilfsvorrichtung erfolgt und im Anschluss daran die Ablage mittels einer Handlingsvorrichtung auf dem Trägermaterial (11) platziert wird.