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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen aus Fasergelegen, bei dem Vorformlinge von im Wesentlichen gleicher Form mit hoher Taktung herstellbar sind. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils das schnelle Taktzeiten erlaubt und zudem kostengünstig ist, sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Faserverbundbauteil.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen, sogenannten Preforms, und Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen unter Verwendung dieser Preforms bekannt. So beschreibt
WO2013/107849 A1 im einleitenden Teil ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, bei dem in einem vorhergehenden Preform-Prozess Gewebelagen gestapelt und gefügt werden, beispielsweise durch Vernähen oder miteinander Verkleben. Das Fügen ist notwendig, um einem Verrutschen der Gewebelagen vorzubeugen, das zur Ausbildung fehlerhafter und damit unbrauchbarer Vorformlinge führt. Allen derzeit verwendeten Preform-Verfahren ist gemein, dass pro Prozessschritt in einem Werkzeug lediglich ein Vorformling gebildet wird. Dies bedeutet eine hohe Werkzeugbelegung und ist aus wirtschaftlicher Sicht weniger rentabel.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Fasergelege-Vorformlingen anzugeben, bei dem mit hoher Taktung geometrisch und in Form aufeinander abgestimmte Vorformlinge mit hoher Qualität herstellbar sind, die in einem weiteren Schritt der Faserverbundbauteilherstellung passgenau zu einem stabilen Vorformlingstapel zusammenfügbar sind. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, durch das ohne hohen technischen Aufwand kostengünstig Faserverbundbauteile mit komplexer Geometrie und hoher Stabilität erhältlich sind. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Faserverbundbauteil von hoher qualitativer Güte und hoher Steifigkeit mit optimierter Kostenstruktur bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Fasergelege-Vorformlingen in einem Preform-Werkzeug mit einer oberen Preform-Werkzeughälfte und einer unteren Preform-Werkzeughälfte erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch übereinander Anordnen von Fasergelegeschichten in die untere Preform-Werkzeughälfte zunächst ein Fasergelegestapel hergestellt wird, wobei zwischen die Fasergelegeschichten mindestens eine Trennschicht eingebracht wird. Erfindungsgemäß kann das Stapeln zu einem Fasergelegestapel also so ausgeführt werden, dass abwechselnd eine oder mehrere Fasergelegeschichten und eine oder mehrere Trennschichten aufeinander zu liegen kommen. Die jeweilige Anzahl der Fasergelegeschichten, die direkt aufeinander geschichtet werden, ohne dass eine Trennschicht zwischen sie eingebracht wird, ist abhängig von der gewünschten Stärke des herzustellenden Vorformlings. Vorteilhafterweise werden drei bis acht Fasergelegeschichten direkt übereinander angeordnet um eine sehr gute Stabilität eines Fasergelege-Vorformlings zu erzielen. Vorzugsweise wird alternierend immer eine gleichgroße Anzahl an Fasergelegeschichten übereinander angeordnet, bevor eine Trennschicht aufgelegt wird. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, wenn die jeweils der oberen und der unteren Preform-Werkzeughälfte zugewandte Schicht eine Trennschicht ist, da so eine Entnahme des Vorformlingstapels nach dem Umformen erleichtert wird. Durch das Einbringen der Trennschicht bzw. der Trennschichten wird ein Herstellen von gleichzeitig mehreren Fasergelege-Vorformlingen mit aufeinander abgestimmter Geometrie bei Ausführung nur eines Umformvorganges ermöglicht. Die erfindungsgemäße Herstellung bietet ferner den weiteren Vorteil, dass dadurch, dass die mittels eines Umformvorganges pro Takteinheit hergestellten und übereinander geschichteten Fasergelege-Vorformlinge in Form und Geometrie aufeinander angepasst sind (direkt übereinander liegende Fasergelege-Vorformlinge weisen im Wesentlichen eine identische Geometrie auf), sehr stabile Faserverbundbauteile hergestellt werden können, indem nämlich der zunächst aus einzelnen Fasergelege-Vorformlingen erfindungsgemäß geformte Fasergelegestapel in einem weiteren Schritt nach Entfernung der Trennschichten in derselben Reihenfolge wieder zusammengesetzt und beispielsweise mittels eines Spritzpressprozesses weiterverarbeitet wird. Durch die passgenaue Geometrie der erfindungsgemäß hergestellten Fasergelege-Vorformlinge werden Fehlstellen und Deformationen im fertigen Faserverbundbauteil vermieden. Zudem können so, wo erforderlich, zwischen die Fasergelege-Vorformlinge lokal Verstärkungsstrukturen eingebracht werden, was bei herkömmlicher Verarbeitung von Vorformlingen, die in Dickenrichtung bereits komplett gefertigt sind, nicht möglich ist. Es hat sich zudem gezeigt, dass durch die Verwendung von Trennschichten auf ein Fügen der Fasergelegeschichten verzichtet werden kann. Die Trennschichten bewirken eine Stabilisierung der Anordnung der Fasergelege und verhindern zudem ein Verrutschen derselben. Der Fasergelegestapel stabilisiert die einzelnen Fasergelegeschichten ohne jegliches Fügemittel. So kann auch Deformationen in den einzelnen Fasergelegeschichten vorgebeugt und Vorformlinge von hoher Qualität kostengünstig erzeugt werden. Des Weiteren können entsprechend ausgebildete Trennschichten auch als Platzhalter fungieren und so bewusst Freiräume belegen, die in dem späteren Prozess der Faserverbundbauteilherstellung mit verstärkenden oder versteifenden Strukturen gefüllt werden können. Im Lichte der Vielzahl an Vorformlingen, die mit einem einzigen Umformvorgang, z. B. durch Schließen des Werkzeugs, geometriegleich herstellbar sind, ist die Taktung des Herstellprozesses bezogen auf einen einzelnen Fasergelege-Vorformling hoch. Die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von hochfunktionalen und formangepassten Vorformlingen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist damit hoch.
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Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Üblicherweise wird der Vorformlingstapel bzw. der Fasergelegestapel nach dem Umformen aus dem Preform-Werkzeug entformt. Der Vorformlingstapel kann in der erhaltenen Form gelagert werden. Insbesondere wenn je eine Trennschicht die oberste und unterste Schicht bildet, wird einer Beschädigung bzw. einem Verschmutzen der Vorformlinge während der Lagerung vorgebeugt.
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Vorteilhaft schließt sich nach dem Entformen ein Schritt des Separierens der umgeformten Fasergelegeschichten an. Das Separieren erfolgt dabei vorteilhaft entlang der Trennschicht, die die jeweiligen Fasergelegeschichten trennt. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn zwischen die einzelnen Fasergelegeschichten Trennschichten paarweise eingebracht wurden. So kann ein Vorformling durch Abheben des angrenzenden Vorformlings zusammen mit einer der paarweise angeordneten Trennschichten zunächst von einem benachbarten Vorformling getrennt werden, ohne dass seine Oberfläche freigelegt wird. Ein Freilegen kann beispielsweise direkt vor der Weiterverarbeitung durch Abziehen der verbliebenen Trennschicht von der Oberfläche des Vorformlings erfolgen.
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Um ein Ausbilden von Fasergelege-Vorformlingen mit im Wesentlichen gleichen geometrischen Abmessungen zu fördern, wird das Umformen durch Beaufschlagung des Fasergelegestapels mit Druck ausgeführt.
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Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils beschrieben. Hierbei wird zunächst unter Anwendung der vorstehend für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Fasergelege-Vorformlingen beschriebenen Schritte in einem Preform-Werkzeug ein Fasergelegestapel hergestellt. In dem Fasergelegestapel sind Fasergelegeschichten und Trennschichten übereinander, vorzugsweise mehrschichtig abwechselnd übereinander, gestapelt. Anschließend erfolgt ein Umformen des Fasergelegestapels, z. B. durch Schließen des Preform-Werkzeugs. Die umgeformten Fasergelegeschichten werden vorteilhaft nach einem Entformen aus dem Preform-Werkzeug entlang der Trennschichten voneinander getrennt, also separiert. Damit werden einzelne, im Wesentlichen gleichartig geformte und in ihrer Form aufeinander abgestimmte Fasergelege-Vorformlinge erzeugt. Nun erfolgt ein Einlegen von mehreren Fasergelege-Vorformlingen in ein Bauteilwerkzeug. Die Anordnung der Fasergelege-Vorformlinge in dem Bauteilwerkzeug erfolgt dabei vorzugsweise unter Beibehaltung der Schichtfolge der Fasergelege-Vorformlinge, wie sie bereits beim Stapeln zum Fasergelegestapel festgelegt wurde, da somit aufeinander zu liegen kommende Fasergelege-Vorformlinge in ihrer Form besonders gut aufeinander abgestimmt sind. In dem Bauteilwerkzeug erfolgt das Aufbringen von Matrixmaterial auf die Fasergelege-Vorformlinge, so dass das Fasermaterial ausreichend mit Matrixmaterial getränkt wird. Zur Fixierung der endgültigen Form des Faserverbundbauteils wird anschließend ein Härten des Matrixmaterials ausgeführt. Je nach verwendetem Matrixmaterial kann das Härten durch Einwirken von Wärme oder Kälte, durch Einstrahlung von Licht oder anderweitiger Aktivierung des Matrixmaterials ausgeführt werden. Abschließend wird das Faserverbundbauteil aus dem Bauteilwerkzeug entformt. Vorteilhaft an diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass in einem Schritt, also genauer gesagt durch einen einzigen Umformschritt im Preform-Werkzeug eine Vielzahl an gleichartig geformten Vorformlingen gebildet werden kann, die also in Gestalt und Form so aufeinander abgestimmt sind, dass es bei der endgültigen Formgebung im Bauteilwerkzeug zu keinerlei Deformation, Aussparung oder Fehlbildung kommt. Durch quasi eine Aufspaltung des Vorformlings zur Herstellung des Faserverbundbauteils in mehrere Teil-Vorformlinge, kann gezielt eine Aussteifung oder Verstärkung zwischen den Teil-Vorformlingen vorgenommen werden. Das Faserverbundbauteil kann somit mit sehr guter Qualität und hoher Stabilität kostengünstig mit hoher Taktung hergestellt werden.
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Besonders vorteilhaft erfolgt das Aufbringen von Matrixmaterial auf die Fasergelege-Vorformlinge in einem Spritzpresswerkzeug oder einem Nasspresswerkzeug. Mit anderen Worten ist das Bauteilwerkzeug ein Spritzpresswerkzeug oder ein Nasspresswerkzeug, da diese Werkzeuge eine präzise Dosierung von Matrixmaterial erlauben und gleichzeitig eine weitere Umformung zur endgültigen Gestalt des Faserverbundbauteils in einem Bauteil ermöglichen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass als Trennschicht ein Material verwendet wird, das eine geringe Haftung an den Fasergelegeschichten aufweist, da hierdurch ein Ablösen der Trennschicht von den umgeformten Fasergelegeschichten unter Bildung einzelner Fasergelege-Vorformlinge erleichtert wird. Geeignete Antihaftmaterialien sind z. B. Silicone, die in Form von Folien zur Anwendung kommen.
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Weiter vorteilhaft enthält die Fasergelegeschicht unidirektionale Fasern, da somit Faserverbundbauteile mit einer bevorzugten Stabilisierungsrichtung hergestellt werden können.
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Hierbei haben sich die erfindungsgemäßen Verfahren als besonders vorteilhaft erwiesen. So können durch ein übereinander Anordnen der Fasergelegeschichten aus unidirektionalen Fasern in dem Preform-Werkzeug in der Art, dass eine Vorzugsrichtung der Fasern in den Fasergelegeschichten unterschiedlich ist, in ihrer Form aufeinander abgestimmte Vorformlinge jedoch mit unterschiedlicher Faserorientierung hergestellt werden. Werden diese Vorformlinge sodann zur Herstellung eines Faserverbundbauteils umgesetzt, wird ein Faserverbundbauteil mit in Summe annähernd isotroper Faserrichtung erhalten, das sich durch eine besonders gute Stabilität auszeichnet.
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Weiter vorteilhaft wird als Fasergelege ein Kohlenstofffasergelege verwendet. Die Verwendung von Kohlenstofffasergelegen in den erfindungsgemäßen Verfahren hat sich als besonders vorteilhaft bei der Herstellung der Vorformlinge erwiesen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen die in das Bauteilwerkzeug einzubringenden Fasergelege-Vorformlinge mindestens eine Verstärkungsstruktur eingebracht wird. Hierdurch kann ein Faserverbundbauteil mit selektiven, lokal angebrachten verstärkenden bzw. versteifenden Strukturen hergestellt werden. Besonders vorteilhaft ist hierzu die jeweils verwendete Trennschicht entsprechend als Platzhalter ausgebildet, so dass die Verstärkungsstruktur direkt zwischen aufeinander liegende Fasergelege-Vorformlinge integriert wird.
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Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Faserverbundbauteil beschrieben, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils hergestellt wurde. Das Faserverbundbauteil zeichnet sich aufgrund der Verwendung von gestapelten Fasergelegeschichten bzw. Fasergelege-Vorformlingen durch eine hohe Stabilität bei kostengünstiger Struktur aus.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht zur Darstellung des Verfahrens zur Herstellung von Vorformlingen gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
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2 eine schematische Ansicht der gemäß dem Verfahren aus 1 erhaltenen Vorformlinge und
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3 eine schematische Darstellung eines Faserverbundbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Aspekte der Erfindung dargestellt, alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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Im Detail zeigt 1 ein Preform-Werkzeug 1, das eine obere Preform-Werkzeughälfte 2 und eine untere Preform-Werkzeughälfte 3 umfasst. In eine Kavität 4, die in der unteren Preform-Werkzeughälfte 3 gebildet ist, sind Materialien 5 zur Bildung eines Fasergelege-Vorformlings eingebracht. Diese Materialien 5 umfassen beispielhaft eine erste Fasergelegeschicht 6 und eine zweite Fasergelegeschicht 7. Die erste Fasergelegeschicht 6 ist direkt auf der Innenoberfläche 9 der unteren Preform-Werkzeughälfte 3 angeordnet. Die zweite Fasergelegeschicht 7 ist darüber angeordnet und weist in Richtung der oberen Preform-Werkzeughälfte 2. Zwischen die beiden Fasergelegeschichten 6, 7 ist eine Trennschicht 8 eingebracht. Die erste Fasergelegeschicht 6, die Trennschicht 8 und die zweite Fasergelegeschicht 7 bilden zusammen einen Fasergelegestapel 10, In dem Fasergelegestapel 10 liegen die einzelnen Schichten 6 bis 8 noch recht locker aufeinander und werden nur durch ihr Eigengewicht aufeinandergedrückt.
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Die Trennschicht 8 verhindert einen direkten Kontakt zwischen der ersten Fasergelegeschicht 6 und der zweiten Fasergelegeschicht 7. Zudem verhindert die Trennschicht 8 ein Verrutschen der gestapelten Fasergelegeschichten.
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In 1 ist der einfachste Fall der Herstellung von Fasergelege-Vorformlingen dargestellt, nämlich die Bildung von zwei Fasergelege-Vorformlingen mit im Wesentlichen gleicher, in ihrer Form aufeinander abgestimmter Geometrie. Es sei aber angeführt, dass der Faserlagenstapel 10 mehr als zwei Fasergelegeschichten und auch mehr als eine Trennschicht aufweisen kann, wobei jeder Fasergelege-Vorformling 16, 17 auch aus mehreren direkt miteinander verbundenen Fasergelegeschichten 6, 7 bestehen kann.
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Durch Schließen des Preform-Werkzeugs 1, beispielsweise durch Absenken der oberen Preform-Werkzeughälfte 2 auf den Fasergelegestapel 10, wird aufgrund der spezifischen Formgestaltung der Preform-Werkzeughälften 2, 3 der Fasergelegestapel 10 umgeformt. Das Umformen kann durch Aufbringen von Druck erleichtert werden. Dadurch erhalten die erzeugten Fasergelege-Vorformlinge bereits eine Vorform der Form, die sie im Faserverbundbauteil einnehmen.
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Nach dem Umformen kann der umgeformte Fasergelegestapel aus dem Preform-Werkzeug 1 entnommen werden. Das Entformen des Faserlagenstapels 10 aus dem Preform-Werkzeug 1 kann dadurch erleichtert werden, dass die oberste Schicht und die unterste Schicht des Faserlagenstapels 10 durch Trennschichten gebildet werden.
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So werden durch einen einzigen Umformvorgang mehrere Fasergelege-Vorformlinge mit im Wesentlichen gleicher Form hergestellt.
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2 ist eine Ansicht der Fasergelege-Vorformlinge 16, 17, die nach dem Entformen des umgeformten Fasergelegestapels 10 aus dem Preform-Werkzeug 1 aus 1 erhalten werden. Durch Separation der Fasergelege-Vorformlinge 16, 17 entlang der Trennschicht 8 werden die nun umgeformten und formstabilen Vorformlinge 16, 17 voneinander getrennt und können weiterverarbeitet werden.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, haben die Fasergelege-Vorformlinge 16, 17 im Wesentlichen gleiche geometrische Abmessungen und damit eine aufeinander abgestimmte Form. Durch Verwendung der Fasergelege-Vorformlinge 16, 17 und Stapelung der Fasergelege-Vorformlinge 16, 17 in der ursprünglichen Reihenfolge, wie sie bei Bildung des Fasergelegestapels 10 definiert wurde, können Faserverbundbauteile von komplexer Geometrie defektfrei und formstabil hergestellt werden, beispielsweise durch Umsetzung der Faserverbundvorformlinge 16, 17 in einem Nasspresswerkzeug oder Spritzpresswerkzeug (RTM-Werkzeug). Die erfindungsgemäße Herstellung von Faserverbundbauteilen unter Verwendung der Fasergelege-Vorformlinge 16, 17 bietet ferner noch die Möglichkeit selektiv zwischen die Fasergelege-Vorformlinge 16, 17 an gewünschter Stelle Verstärkungsstrukturen zur Verstärkung und Aussteifung des Faserverbundbauteils vorzusehen, wie es beispielhaft in 3 gezeigt ist.
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3 zeigt ein erfindungsungemäß hergestelltes Faserverbundbauteil 18, das aus Fasergelege-Vorformlingen 16 und 17 gebildet ist, wobei zwischen die Fasergelege-Vorformlinge eine Verstärkungsstruktur 19 eingebracht ist. Damit wird ein Faserverbundbauteil 18 von hoher qualitativer Güte mit sehr guten Stabilitätseigenschaften erhalten.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu Illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Preform-Werkzeug
- 2
- obere Preform-Werkzeughälfte
- 3
- untere Preform-Werkzeughälfte
- 4
- Kavität
- 5
- Material zur Bildung der Fasergelege-Vorformlinge
- 6
- erste Fasergelegeschicht
- 7
- zweite Fasergelegeschicht
- 8
- Trennschicht
- 9
- Innenoberfläche der unteren Preform-Werkzeughälfte
- 10
- Fasergelegestapel
- 16
- erster Fasergelege-Vorformling
- 17
- zweiter Fasergelege-Vorformling
- 18
- Faserverbundbauteil
- 19
- Verstärkungsstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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