DE102015112302A1

DE102015112302A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs

Info

Publication number: DE102015112302A1
Application number: DE102015112302.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Demmig; Dirk Raithel; André Albert; Wolfgang Nendel; Lothar Kroll; Welf-Guntram Drossel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird wenigstens ein zusätzlicher Materialbereich an einer jeweiligen vorbestimmten Stelle eines Faser-Kunststoff-Verbundes, der eine unidirektional faserverstärkte thermoplastische Matrix aufweist, ausgebildet. Durch den zusätzlichen Materialbereich kann der Faser-Kunststoff-Verbund einem Umformvorgang unterworfen werden, bei dem sich der zusätzliche Materialbereich mindestens teilweise entfaltet oder streckt, ohne dass der Faserverlauf unterbrochen wird. Somit ist es möglich, ein Halbzeug aus einem Faser-Kunststoff-Verbund zu einem Bauteil umzuformen, das eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht hat.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, der eine unidirektional faserverstärkte thermoplastische Matrix aufweist.
Komponenten, die in Leichtbauweise hergestellt werden, spielen eine immer größere Rolle, insbesondere im Fahrzeugbau, Schiffbau und Flugzeugbau. Ein geringes Gewicht der Komponenten wird einerseits durch den Einsatz von Materialien mit geringer Dichte und/oder durch konstruktive Merkmale, wie z.B. die Ausbildung einer Wabenstruktur, erreicht.
Ein Faser-Kunststoff-Verbund, der eine unidirektional faserverstärkte Matrix aufweist, bietet sich auf Grund seines geringen Gewichts und seiner hohen mechanischen Festigkeit für den Einsatz in Leichtbaukomponenten an.
Ein Faserverbundbauteil im Leichtbau, insbesondere für ein Luft- oder Raumfahrzeug zu verwenden, ist z.B. aus der DE 10 2008 006 523 A1 bekannt. Ein solches Faserverbundbauteil weist elektrisch leitfähige Fasern auf, die zur Verbesserung der Blitzschutzeigenschaften verwendet werden bzw. mit einer Energiequelle koppelbar sind, um im Flugbetrieb eine Enteisung des Faserverbundbauteils vornehmen zu können.
Häufig eingesetzte Verstärkungsfasern wie Glas- oder Kohlenstofffasern können aufgrund ihrer molekularen Natur nicht plastisch gedehnt werden. Ein Halbzeug aus einem Faser-Kunststoff-Verbund mit einer unidirektional faserverstärkten Matrix kann in Faserrichtung also ebenfalls nicht plastisch gedehnt werden, so dass die Verwendung von Umformverfahren, wie sie z.B. für das Umformen von Metallen bekannt sind, nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, der eine unidirektional faserverstärkte thermoplastische Matrix aufweist, anzugeben. Dabei soll sich das Halbzeug für eine umformende Weiterverarbeitung mit teilweiser Streckung in Faserrichtung eignen, ohne die Verstärkungsfasern unterbrechen zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 10 angegebenen Merkmale gelöst. Erfindungsgemäß wird wenigstens ein zusätzlicher Materialbereich an einer jeweiligen vorbestimmten Stelle eines Faser-Kunststoff-Verbundes, der eine unidirektional faserverstärkte thermoplastische Matrix aufweist, ausgebildet. Durch den zusätzlichen Materialbereich kann der Faser-Kunststoff-Verbund einem Umformvorgang unterworfen werden, bei dem sich der zusätzliche Materialbereich mindestens teilweise entfaltet oder streckt, ohne dass der Faserverlauf unterbrochen wird. Somit ist es möglich, ein Halbzeug aus einem Faser-Kunststoff-Verbund zu einem Bauteil umzuformen, das eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht hat.
Der jeweilige zusätzliche Materialbereich ist dabei in bevorzugter Weise an das zu fertigende Bauteil angepasst. In bevorzugter Weise ist der jeweilige zusätzliche Materialbereich in Form von Falten oder Schlaufen gebildet. Der Faser-Kunststoff-Verbund enthält bevorzugt Langfasern oder Endlosfasern, wodurch Bauteile mit einer sehr hohen Festigkeit hergestellt werden können.
Um einen zusätzlichen Materialbereich z.B. in Form von Falten oder Schlaufen zu schaffen, wird der Faser-Kunststoff-Verbund erwärmt. Das Erwärmen des Faser-Kunststoff-Verbundes kann mittels Wärmeleitung, Absorption von Strahlungsenergie oder elektrische Widerstandserwärmung vorgenommen werden. Dadurch sind herkömmliche Wärmebehandlungsverfahren einsetzbar.
In einer modifizierten Ausführungsform wird der Faser-Kunststoff-Verbund unter Zuführung elektrischer Energie direkt zum Schmelzen gebracht. Dazu muss der Faser-Kunststoff-Verbund elektrisch leitfähig sein. Dies kann entweder durch Heizdrähte im Faser-Kunststoff-Verbund erreicht werden oder durch die Verwendung von Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern, welche den gesamten Faser-Kunststoff-Verbund elektrisch leitfähig machen.
Vorzugsweise ist der Faser-Kunststoff-Verbund in Form eines Bandes ausgebildet, das auf eine Spule gewickelt ist. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Faser-Kunststoff-Verbund einfach zu transportieren und zu lagern. Ferner erleichtern das Abrollen des Bandes von der Spule und ein darauf folgender Trennvorgang die Handhabung für eine Serienfertigung von Halbzeugen.
Der Trennvorgang kann vor oder nach dem Erwärmen des Faser-Kunststoff-Verbundes erfolgen. Somit kann eine Optimierung des Trennvorgangs an das jeweilige Fertigungsverfahren vorgenommen werden.
Der zusätzliche Materialbereich wird in bevorzugter Weise dadurch erzeugt, dass eine Relativbewegung zwischen dem erwärmten Faser-Kunststoff-Verbund und einer Ablageeinrichtung, auf der der erwärmte Faser-Kunststoff-Verbund abgelegt wird, oder durch eine Relativbewegung zwischen dem Faser-Kunststoff-Verbund und einer Wärmebehandlungseinrichtung, die den Faser-Kunststoff-Verbund erwärmt, vorgenommen wird. Dadurch kann auf einfache Weise die Form und die Abmessungen der zusätzlichen Materialbereiche zur Bildung des Halbzeugs geschaffen werden.
Anschließend wird vorzugsweise das Halbzeug einem Kühlvorgang unterworfen. Dadurch besteht die Möglichkeit, das Halbzeug auf einfache Weise zu einer Umformvorrichtung zu transportieren.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Halbzeug im erwärmten Zustand sofort einem Umformvorgang unterworfen. Dadurch kann ein erneutes Erwärmen des Halbzeugs entfallen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Halbzeug zur Bildung einer Halbzeugkomponente auf einem Liner oder einer Membran abgelegt oder um einen geometrischen Gegenstand, insbesondere ein Rohr, gewunden. Auf diese Weise können Umformverfahren, wie das Innenhochdruck-Umformen, eingesetzt werden.
Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Herstellung des Halbzeugs, und
2 eine schematische Ansicht zur Erläuterung einer Umformung einer Halbzeugkomponente.
Wie in 1 gezeigt ist, weist eine Vorrichtung 100 zur Herstellung eines Halbzeugs eine Vorratseinrichtung 10 zur Bevorratung eines unidirektional faserverstärkten Bandes 20 mit thermoplastischer Matrix, eine Transporteinrichtung 30, eine Trenneinrichtung 40, eine Wärmebehandlungseinrichtung 50 und eine Ablageeinrichtung 60 auf.
Die Vorratseinrichtung 10 ist in Form einer frei drehbar gelagerten Spule eingerichtet, auf der das Band 20 aufgewickelt ist. Die Vorratseinrichtung 10 kann in einer modifizierten Ausführungsform auch das Band 20 in Form von Lagen oder eines ausgebreiteten Bandes bevorraten. Auch kann das Band 20 bereits vorkonfektioniert sein, wobei in dieser Ausführungsform die Trenneinrichtung 40 entfallen kann.
Das Band 20 repräsentiert den Faser-Kunststoff-Verbund der vorliegenden Erfindung und weist eine thermoplastische Matrix, z.B. Polypropylen, Polyamid oder Polyester, und in der thermoplastischen Matrix angeordnete Langfasern oder Endlosfasern, die z.B. Kohlenstofffasern oder Glasfasern sind, auf. In der bevorzugten Ausführungsform hat der Faser-Kunststoff-Verbund einen hohen Faservolumengehalt.
Das Band 20 wird mittels der Transporteinrichtung 30, die in der gezeigten Ausführungsform durch zwei Walzen 32, 34 repräsentiert werden, die gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und an das Band 20 angedrückt werden, zu einer Wärmebehandlungseinrichtung 50 transportiert. Die Wärmebehandlungseinrichtung 50 ist als eine beheizte Düse ausgebildet, die das Band 20 auf eine solche Temperatur erwärmt, dass das Band 20 in einen plastifizierten Zustand gebracht wird.
In modifizierten Ausführungsformen wird eine Wärmebehandlungseinrichtung 50 eingesetzt, die auf der Basis der Wärmeleitung, Absorption von Strahlungsenergie oder der elektrischen Widerstandserwärmung arbeitet. Die Erwärmung des Bandes 20 kann auch direkt durch Widerstandserwärmung erfolgen, z.B. durch in das Band 20 eingesetzte Heizdrähte oder durch die Verwendung von Kohlenstofffasern zur Verstärkung des Kunststoffes, die mit einer Energiequelle verbunden oder verbindbar sind.
Wie in 1 außerdem gezeigt ist, dient eine Trenneinrichtung 40 zur Längenkonfektionierung des Bandes 20. Die Trenneinrichtung 40, die in der gezeigten Ausführungsform zwei gegenläufig bewegende Messer 42, 44 aufweist, ist stromaufwärts der Wärmebehandlungseinrichtung 50 angeordnet. In einer modifizierten Ausführungsform ist die Trenneinrichtung 40 stromabwärts der Wärmebehandlungseinrichtung 50 angeordnet.
Nach Verlassen der Wärmebehandlungseinrichtung 50 wird das Band 20 mit schmelzflüssiger Matrix auf der Ablageeinrichtung 60 positioniert. Durch eine Relativbewegung zwischen dem erwärmten Band 20 und der Ablageeinrichtung 60 werden Falten oder Schlaufen 22 gebildet, die den jeweiligen zusätzlichen Materialbereich gemäß der vorliegenden Erfindung repräsentieren. Das mit Falten oder Schlaufen 22 ausgebildete Band 20 repräsentiert ein Halbzeug 70 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die jeweiligen zusätzlichen Materialbereiche, d.h. die Falten oder Schlaufen 22 sind an das zu fertigende Bauteil angepasst, wobei z.B. die Länge einer Schlaufe 22 oder mehrerer Schlaufen 22 die Höhe einer Vertiefung im Bauteil repräsentiert.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Ablageeinrichtung 60 ein Transportband 62, das in eine Vorwärtsrichtung V und eine entgegengesetzt dazu verlaufende Rückwärtsrichtung R bewegbar ist. Dadurch wird eine Relativbewegung zu dem aus der Wärmebehandlungseinrichtung 50 austretenden Band 20 und der Ablageeinrichtung 60 erzeugt und es werden die Falten oder Schlaufen 22 gebildet. In einer modifizierten Ausführungsform kann zusätzlich zu der Relativbewegung in Vorwärtsrichtung V und Rückwärtsrichtung R eine Relativbewegung in einem Winkel zur Vorwärtsrichtung V bzw. Rückwärtsrichtung R erfolgen, so dass Falten oder Schlaufen 22 mit sich verändernder Breite in einer Richtung quer zur Vorwärtsrichtung V und Rückwärtsrichtung R gebildet werden.
Eine Relativbewegung kann auch durch einen nicht gezeigten Legekopf erfolgen, der das Band 20 in der gewünschten Weise auf der Ablageeinrichtung 60 positioniert.
Mittels einer nicht gezeigten Kühleinrichtung wird das Halbzeug 70 einem Kühlvorgang unterworfen.
Das Halbzeug 70 kann durch ein geeignetes Umformverfahren, wie z.B. Thermoformen, Tiefziehen, Innenhochdruck-Umformen oder weitere Verfahren weiterverarbeitet werden. Die Falten oder Schlaufen 22 sind in ihren Abmessungen an das zu fertigende Bauteil angepasst. Beim Umformvorgang können sich die Falten oder Schlaufen 22 ganz oder auch nur teilweise entfalten oder strecken, ohne dass der Faserverlauf unterbrochen wird. Dadurch erlangt das zu fertigende Bauteil eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht.
Als Ablageeinrichtung 60 ist in einer modifizierten Ausführungsform ein Liner 64 oder eine Membran 64 vorgesehen, auf der das Halbzeug 70 zur Bildung einer Halbzeugkomponente abgelegt wird. In einer anderen Ausführungsform wird das mit Falten oder Schlaufen 22 ausgebildete Band 20 auf einen geometrischen Gegenstand, wie z.B. ein Rohr aufgebracht. Auch können auf dem Transportband 62 der Liner, die Membran oder der geometrische Gegenstand angeordnet sein.
Auf vorteilhafte Weise besteht das Rohr, der Liner oder die Membran aus einem Thermoplast oder einem Elastomer. Die Ablage auf einem Rohr, einem Liner oder einer Membran dient dazu, das Halbzeug 70 mittels eines Umformverfahrens, bei dem ein flüssiges oder gasförmiges Medium verwendet wird, verformen zu können.
2 zeigt in schematischer Form einen Teil einer Halbzeugkomponente 72, das ein Rohr aufweist, das mit dem mit Falten oder Schlaufen 22 ausgebildeten Band 20 umwunden ist. Das Rohr besteht in dieser Ausführungsform aus einem thermoplastischen Material. Mittels Innenhochdruck-Umformen erfolgt eine Druckbeaufschlagung des Innenraums 72a der erwärmten Halbzeugkomponente 72, so dass die gewünschte Form erzielt werden kann. Das so gefertigte Bauteil hat eine besonders hohe Festigkeit bei geringem Gewicht.
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 102008006523 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundes, der eine unidirektional faserverstärkte thermoplastische Matrix aufweist, Erwärmen des Faser-Kunststoff-Verbundes auf eine Temperatur, bei der die Matrix in einem plastifizierten Zustand ist, und Ausbilden von wenigstens einem zusätzlichen Materialbereich an einer jeweiligen vorbestimmten Stelle des Faser-Kunststoff-Verbundes zur Herstellung des Halbzeugs (70).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Materialbereich in Form von Falten oder Schlaufen (22) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser-Kunststoff-Verbund Langfasern oder Endlosfasern enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Faser-Kunststoff-Verbundes mittels Wärmeleitung, Absorption von Strahlungsenergie oder elektrische Widerstandserwärmung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser-Kunststoff-Verbund in Form eines Bandes (20) ausgebildet ist, das auf eine vorbestimmte Länge vor oder nach dem Erwärmen konfektioniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Materialbereich durch eine Relativbewegung zwischen dem erwärmten Faser-Kunststoff-Verbund und einer Ablageeinrichtung (60), auf der der erwärmte Faser-Kunststoff-Verbund abgelegt wird, oder durch eine Relativbewegung zwischen dem Faser-Kunststoff-Verbund und einer Wärmebehandlungseinrichtung (50), die den Faser-Kunststoff-Verbund erwärmt, erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (70) nach Ausbilden des zusätzlichen Materialbereichs abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (70) zur Bildung einer Halbzeugkomponente (72) auf einem Liner oder einer Membran abgelegt wird oder auf einen geometrischen Gegenstand (64), insbesondere ein Rohr, aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug oder die Halbzeugkomponente einem Thermoformverfahren, einem Tiefziehverfahren oder einem Innenhochdruck-Umformverfahren zur Fertigung eines Bauteils unterworfen wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Faser-Kunststoff-Verbund, der eine unidirektional faserverstärkte thermoplastische Matrix aufweist, mit einer Wärmebehandlungseinrichtung (50) zum Erwärmen des Faser-Kunststoff-Verbundes auf eine Temperatur, bei der die Matrix in einem plastifizierten Zustand ist, und einer Relativbewegungseinrichtung zur Bereitstellung wenigstens eines zusätzlichen Materialbereichs an einer jeweiligen vorbestimmten Stelle des Faser-Kunststoff-Verbundes, wodurch das Halbzeug (70) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Materialbereich in Form von Falten oder Schlaufen (22) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Vorratseinrichtung (10) zur Bevorratung des Faser-Kunststoff-Verbundes und eine Transporteinrichtung (30) zum Transportieren der des Faser-Kunststoff-Verbundes von der Vorratseinrichtung (10) zur Wärmebehandlungseinrichtung (50).
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Trenneinrichtung (40) zur Konfektionierung des Faser-Kunststoff-Verbundes.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Ablageeinrichtung (60) zum Ablegen des mit dem zusätzlichen Materialbereich versehenen Faser-Kunststoff-Verbundes.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser-Kunststoff-Verbund und/oder die Ablageeinrichtung (60) und/oder die Wärmebehandlungseinrichtung (50) bewegbar ausgebildet sind und die Relativbewegungseinrichtung bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch einen Liner, eine Membran oder einen geometrischen Gegenstand (64), auf den bzw. die das Halbzeug (70) zur Bildung einer Halbzeugkomponente (72) aufbringbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Faser-Kunststoff-Verbund in Form eines Bandes (20) ausgebildet ist.