DE102015217402A1

DE102015217402A1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen

Info

Publication number: DE102015217402A1
Application number: DE102015217402.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Beck; Daniel Heim
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff angegeben. Bei dem Verfahren wird ein Halbzeug (1) durch Anordnen zumindest einer imprägnierten textilen Lage (20) auf zumindest einer Trägerlage (30) hergestellt. Das Halbzeug (1) wird mittels Befestigungselementen (40) an einem Spannrahmen (4) befestigt. Dabei weist die zumindest eine imprägnierte textile Lage (20) einen größeren Abstand zum Spannrahmen (4) auf als die zumindest eine Trägerlage (30).

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff, angegeben.
Faserverstärkte Kunststoffbauteile weisen eine Struktur aus Verstärkungsfasern auf, wobei die Struktur aus Verstärkungsfasern in ein Kunststoffmatrixmaterial eingebettet ist. Für komplexere und hochwertigere Bauteile ist oftmals eine mehrlagige Faserstruktur mit möglichst belastungsgerecht angeordneten Faserrichtungen notwendig. Als Ausgangsmaterial für die genannte Herstellung werden imprägnierte thermoplastische Fasertapes verwendet. Solche Fasertapes bestehen üblicherweise aus einer einlagigen bandförmigen Fasergrundstruktur, die bereits mit dem benötigten Matrixmaterial imprägniert ist. Zur Verfügung stehen solche Fasertapes z. B. als Rollenmaterial. In der Druckschrift DE 42 18 434 A1 wird beispielsweise eine Möglichkeit zur Herstellung solcher imprägnierter Fasertapes beschrieben.
Es ist bekannt, aus derartigen imprägnierten Fasertapes mehrlagige, rechteckige Platten herzustellen, die als Halbzeuge für die weitere Verarbeitung dienen. In der Druckschrift US 2011/0111168 A1 wird beschrieben, wie aus solchen Fasertapes multiaxiale ebene Platten gefertigt werden können, die eine möglichst richtungsunabhängige Festigkeit aufweisen, und die gelagert und später weiterverarbeitet werden können.
Die Druckschriften US 8,414,729 B2 und US 2013/186557 A1 beschreiben ebenfalls Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus Fasertapes.
Weiterhin sind im Stand der Technik, wie z. B. aus der Druckschrift DE 10 2011 113 651 A1 , sogenannte Organobleche bekannt, die ein Fasergewebe, Fasergelege oder Fasergewirk aufweisen, welches in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist.
Gemäß dem Stand der Technik werden Fasertapes mit einer Tapelegemaschine auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt und mit zuvor gelegten Fasertapes punktweise verschweißt, wodurch unkonsolidierte Halbzeuge entstehen. Da die Werkzeugoberfläche drehbar ist, können die Fasertapes in verschiedenen Richtungen verlegt und dadurch den Anforderungen des Bauteils angepasst werden. Optional können die unkonsolidierten Halbzeuge in einem zusätzlichen Fertigungsschritt konsolidiert werden.
Der Rand der Fläche der gelegten Tapes muss bestimmte Abmessungen haben, da die unkonsolidierten bzw. konsolidierten Halbzeuge später z. B. mit Hilfe von Federn in einen Spannrahmen eingehängt und in einem Ofen erwärmt werden. Die thermoplastische Matrix der Halbzeuge wird dadurch erhitzt. Nach dem Erwärmen werden die im Spannrahmen befestigten Halbzeuge in einem Formwerkzeug umgeformt.
Gemäß dem Stand der Technik weisen die einzelnen Tapelagen der Halbzeuge eine Fläche auf, die nahezu der kompletten Innenfläche des Spannrahmens entspricht, so dass gewährleistet werden kann, dass die Halbzeuge mittels Befestigungselementen am Spannrahmen gehalten werden, insbesondere auch während des Umformvorgangs durch das Formwerkzeug.
Nachteilig dabei ist es, dass das im Stand der Technik bekannte Verfahren mit einem hohen Materialausschuss einhergeht, da auch Flächen gelegt werden, die nicht direkt das herzustellende Bauteil bilden und später wieder abgetrennt werden müssen.
Es ist daher eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff anzugeben, mittels dessen der Materialausschuss minimiert und Kosten verringert werden können.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
Gemäß einer Ausführungsform werden bei einem Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff zumindest eine imprägnierte textile Lage, zumindest eine Trägerlage und ein Spannrahmen bereitgestellt. Die imprägnierte textile Lage kann hier und im Folgenden auch als erste imprägnierte textile Lage bezeichnet werden. Die Trägerlage kann hier und im Folgenden auch als erste Trägerlage bezeichnet werden. Vorzugsweise weist die imprägnierte textile Lage weist eine Vielzahl von Verstärkungsfasern auf, die in ein Matrixmaterial eingebettet sind. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise Carbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern oder Naturfasern sein. Das Matrixmaterial kann z. B. ein thermoplastischer Kunststoff, beispielsweise PEEK, PEKK, PP, PE, PPS, TPE oder ein Polyamid sein.
Beispielsweise kann die imprägnierte textile Lage ein in ein Matrixmaterial eingebettetes Fasergewebe, Fasergelege und/oder Fasergewirk aufweisen oder aus einem in einem Matrixmaterial eingebetteten Fasergewebe, Fasergelege oder Fasergewirk bestehen. Weiterhin kann die imprägnierte textile Lage eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Fasertapes aufweisen bzw. aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Fasertapes bestehen, wobei die Fasertapes innerhalb einer Lage gleich oder unterschiedlich orientiert sein können. Die Fasertapes weisen vorzugsweise eine einlagige bandförmige Fasergrundstruktur aus Fasern auf, wobei die Fasergrundstruktur mit Matrixmaterial imprägniert ist. Die Fasertapes können beispielsweise als sogenannte UD-Tapes („UD”, unidirektional) ausgebildet sein.
Die Trägerlage weist vorzugsweise eine Vielzahl von Verstärkungsfasern auf, welche ebenfalls in ein Matrixmaterial eingebettet sein können. Beispielsweise kann die Trägerlage ein Fasergewebe, Fasergelege und/oder Fasergewirk aufweisen bzw. aus einem Fasergewebe, Fasergelege oder Fasergewirk bestehen, welches in einem Matrixmaterial eingebettet ist. Weiterhin kann die Trägerlage eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Fasertapes aufweisen, welche jeweils eine einlagige bandförmige Fasergrundstruktur aus Fasern umfassen können, wobei die Fasergrundstruktur mit Matrixmaterial imprägniert ist. Alternativ kann die Trägerlage derart ausgebildet sein, dass die Verstärkungsfasern nicht in Matrixmaterial eingebettet sind. Beispielsweise kann die Trägerlage ein Fasergewebe, Fasergelege und/oder Fasergewirk aufweisen bzw. aus einem Fasergewebe, Fasergelege oder Fasergewirk bestehen, welches nicht in Matrixmaterial eingebettet ist.
Zur Herstellung eines Bauteils aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff wird zunächst ein Halbzeug durch Anordnen der imprägnierten textilen Lage auf der Trägerlage hergestellt. Beispielsweise können die imprägnierte textile Lage und die Trägerlage mittels einer oder mehrerer lokaler Verbindungen, wie z. B. mittels punktueller Schweißverbindungen, miteinander verbunden werden, sodass die Trägerlage und die damit verbundene imprägnierte textile Lage ein unkonsolidiertes Halbzeug bilden. Vorzugsweise wird die imprägnierte textile Lage der Art auf der Trägerlage angeordnet, dass zumindest bestimmte Teilbereiche der Trägerlage nach dem Anordnen nicht von der imprägnierten textilen Lage bedeckt sind. Nach dem Herstellen des Halbzeugs wird das Halbzeug mittels Befestigungselementen, die beispielsweise als Spannelemente, wie z. B. als Spannfeder oder dergleichen, ausgebildet sein können, an einem Spannrahmen befestigt. Die Befestigungselemente werden vorzugsweise direkt mit der Trägerlage verbunden. Das Halbzeug wird vorzugsweise derart am Spannrahmen befestigt, dass die imprägnierte textile Lage nach dem Befestigen einen größeren Abstand zum Spannrahmen aufweist als die Trägerlage. Mit dem Begriff „Abstand” wird hierbei der minimale Abstand bzw. die kleinste Entfernung zwischen der imprägnierten textilen Lage und dem Spannrahmen bezeichnet. Insbesondere kann darunter der Abstand zwischen einem Abschnitt eines Rahmenelements des Spannrahmens, welcher der imprägnierten textilen Lage am nächsten ist, und der imprägnierten textilen Lage verstanden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Halbzeug nach dem Befestigen am Spannrahmen erwärmt und anschließend mittels eines Formwerkzeugs umgeformt. Vorzugsweise ist das Halbzeug während des Umformens mittels des Formwerkzeugs am Spannrahmen befestigt. Das Erwärmen des Halbzeugs kann z. B. mittels eines geeigneten Ofens erfolgen. Das Umformen des Halbzeugs kann auch als Thermoformen bezeichnet werden.
Dadurch, dass die imprägnierte textile Lage des Halbzeugs einen größeren Abstand zum Spannrahmen aufweist als die Trägerlage, beispielsweise indem die Trägerlage nicht vollständig mit der imprägnierten textilen Lage bedeckt wird, kann die Materialeinsatzquote beim Herstellen von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff gesenkt werden. Weiterhin kann ein zusätzlicher Zeitaufwand zum Entfernen überflüssiger Flächen nach dem Umformen sowie entstehende Kosten in den Bereichen Werkzeugabnutzung und Recycling verringert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die imprägnierte textile Lage nach dem Befestigen des Halbzeugs am Spannrahmen einen Abstand zum Spannrahmen auf, der mindestens 10 cm größer ist als ein minimaler Abstand zwischen der Trägerlage und im Spannrahmen. Besonders bevorzugt weist die imprägnierte textile Lage nach dem Befestigen des Halbzeugs am Spannrahmen einen Abstand zum Spannrahmen auf, der mindestens 30 cm größer ist als der minimale Abstand zwischen der Trägerlage und im Spannrahmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird beim Herstellen des Halbzeugs zumindest eine weitere Trägerlage auf der imprägnierten textilen Lage oder auf der Trägerlage angeordnet. Jede weitere Trägerlage kann eines oder mehrere Merkmale aufweisen, welche vorstehend im Zusammenhang mit der ersten Trägerlage genannt worden sind. Beispielsweise kann die imprägnierte textile Lage beim Herstellen des Halbzeugs zwischen der Trägerlage und der weiteren Trägerlage angeordnet werden. Alternativ kann die weitere Trägerlage direkt auf der ersten Trägerlage angeordnet werden, und die imprägnierte textile Lage kann auf der weiteren Trägerlage angeordnet werden. Beim Befestigen des Halbzeugs am Spannrahmen kann die weitere Trägerlage beispielsweise ebenfalls mittels Befestigungselementen am Spannrahmen befestigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Spannrahmen ein erstes Rahmenelement und ein dem ersten Rahmenelement gegenüberliegendes zweites Rahmenelement auf. Weiterhin weist der Spannrahmen vorzugsweise ein drittes Rahmenelement und ein dem dritten Rahmenelement gegenüberliegendes viertes Rahmenelement auf. Die Rahmenelemente können z. B. jeweils stegförmig oder schienenförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Rahmenelement jeweils direkt mit dem dritten und mit dem vierten Rahmenelement verbunden. Die vier miteinander verbundenen Rahmenelemente bilden vorzugsweise den Spannrahmen aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste Trägerlage mittels der Befestigungselemente am ersten und zweiten Rahmenelement befestigt, und die weitere Trägerlage ist mittels Befestigungselementen am dritten und vierten Rahmenelement befestigt. Vorzugsweise ist dabei die erste Trägerlage, welche am ersten und zweiten Rahmenelement befestigt ist, nicht mit weiteren Rahmenelementen des Spannrahmens verbunden, sondern nach dem Befestigen des Halbzeugs im Spannrahmen von den weiteren Rahmenelementen beabstandet im Spannrahmen angeordnet. Weiterhin ist die weitere Trägerlage, die am dritten und vierten Rahmenelement befestigt ist, vorzugsweise nicht mit weiteren Rahmenelementen des Spannrahmens verbunden, sondern nach dem Befestigen des Halbzeugs im Spannrahmen von den weiteren Rahmenelementen beabstandet im Spannrahmen angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird beim Herstellen des Halbzeugs eine Vielzahl von imprägnierten textilen Lagen auf der Trägerlage angeordnet, wobei die imprägnierten textilen Lagen vorzugsweise jeweils einen größeren Abstand zum Spannrahmen aufweisen als die Trägerlage. Beispielsweise können eine oder mehrere weitere imprägnierte textile Lagen, die insbesondere eines oder mehrerer Merkmale der im Zusammenhang mit der ersten imprägnierten textilen Lage genannten Ausführungsformen aufweisen können, beim Herstellen des Halbzeuges direkt auf der ersten imprägnierten textilen Lage und/oder auf der ersten oder einer weiteren Trägerlage angeordnet werden. Weiterhin ist es möglich, dass die weiteren imprägnierten textilen Lagen zwischen der ersten Trägerlage und der weiteren Trägerlage angeordnet werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen nach dem Befestigen des Halbzeugs am Spannrahmen alle imprägnierten textilen Lagen einen Abstand zum Spannrahmen auf, der mindestens 10 cm größer ist als der minimale Abstand zwischen der ersten Trägerlage und dem Spannrahmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bestehen alle imprägnierten textilen Lagen aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten imprägnierten Fasertapes, wobei die Fasertapes vorzugsweise als UD-Tapes vorliegen, welche jeweils unidirektionale Endlosfasern aufweisen. Beispielsweise können die Endlosfasern der Fasertapes einer imprägnierten textilen Lage alle dieselbe Ausrichtung aufweisen. Weiterhin können auch die Endlosfasern der Fasertapes der weiteren imprägnierten textilen Lagen dieselbe Ausrichtung wie die Endlosfasern der Fasertapes der ersten imprägnierten textilen Lage aufweisen. Alternativ können die Fasertapes einer oder mehrerer imprägnierte textile Lagen derart angeordnet sein, dass ihre Endlosfasern eine andere Ausrichtung als die erste imprägnierte textile Lage und/oder als direkt benachbarte imprägnierte textile Lagen aufweisen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Halbzeug nach seiner Herstellung zumindest vier Trägerlagen sowie eine Vielzahl von imprägnierten textilen Lagen auf, wobei beim Befestigen des Halbzeugs am Spannrahmen zumindest zwei erste Trägerlagen mit dem ersten und dem zweiten Rahmenelement verbunden werden und zumindest zwei zweite Trägerlagen mit dem dritten und vierten Rahmenelement verbunden werden. Die imprägnierten textilen Lagen werden vorzugsweise beim Herstellen des Halbzeugs derart zwischen den Trägerlagen angeordnet, dass alle imprägnierten textilen Lagen zwischen den zwei ersten und den zwei zweiten Trägerlagen angeordnet sind.
Mittels des hier beschriebenen Verfahrens kann vorteilhafterweise die Materialeinsatzquote minimiert werden, sodass weniger Ausschuss beim Tapelegen produziert wird. Dadurch muss vorteilhafterweise weniger Material recycelt werden und eine aufwändige Nachbearbeitung kann reduziert werden, wodurch eine Zeitersparnis und Kostenersparnis in der Fertigung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff erzielt werden kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des hier beschriebenen Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 7B beschriebenen Ausführungsformen. Es zeigen:
1A bis 1C verschiedene Ansichten eines in einem Spannrahmen befestigten Halbzeuges, welches bei einem im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff verwendet wird,
2A bis 2C verschiedene Ansichten eines in einem Spannrahmen befestigten Halbzeuges, welches bei einem hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff hergestellt wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3A bis 3C verschiedene Ansichten eines bei dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Halbzeuges gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
4A bis 7B verschiedene Ansichten von Halbzeugen, die bei dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden, gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
Die 1A bis 1C zeigen schematische Darstellungen eines Halbzeugs 1, welches bei einem im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff verwendet wird, wobei in den 1A bis 1C jeweils verschiedene Ansichten desselben Halbzeugs 1 dargestellt sind.
Zur Herstellung des Halbzeugs 1 werden gemäß dem Stand der Technik verschiedene imprägnierte textile Lagen 20, 21 aufeinander angeordnet und punktweise miteinander verschweißt und optional in einem nachgeschalteten Prozessschritt konsolidiert. Bei den imprägnierten textilen Lagen 20, 21 kann es sich, wie in 1A dargestellt, um Lagen aus Fasertapes 5, die eine mit Matrixmaterial imprägnierte Fasergrundstruktur aufweisen, handeln. Dabei können die Fasertapes 5 der verschiedenen Lagen 20, 21 unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen.
Das Halbzeug 1 wird mittels Befestigungselementen 40 in einem Spannrahmen 4 befestigt und nach dem Befestigen am Spannrahmen in einem Ofen erwärmt. Anschließend wird das am Spannrahmen befestigte, erwärmte Halbzeug mittels eines Formwerkzeugs umgeformt, wobei das Formwerkzeug insbesondere im Bereich 6, durch dessen Umformung das herzustellende Bauteil gebildet wird, vom Formwerkzeug umgeformt wird.
Außerhalb des Bauteilbereichs 6 liegende Bereiche des Halbzeugs 1 werden nach dem Umformvorgang abgeschnitten.
In den 2A bis 2C sind verschiedene schematische Darstellungen eines Halbzeuges 1 gezeigt, welches bei einem hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff hergestellt wird, wobei die 2A bis 2C wiederum verschiedene Ansichten desselben Halbzeugs 1 zeigen. Beim Herstellen des Halbzeugs 1 wird eine imprägnierte textile Lage 20 auf einer Trägerlage 30 angeordnet. Die imprägnierte textile Lage 20 weist vorzugsweise eine Vielzahl von Fasern auf, die in einem Matrixmaterial eingebettet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die imprägnierte textile Lage 20 aus einer Vielzahl von Fasertapes 5, die innerhalb der Lage jeweils nebeneinander angeordnet sind. Alternativ kann die imprägnierte textile Lage beispielsweise auch aus einem Fasergewebe oder Fasergelege welches in ein Matrixmaterial eingebettet ist. Die Trägerlage 30 besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls aus einer Vielzahl von imprägnierten Fasertapes 5, die innerhalb der Lage nebeneinander angeordnet sind. Alternativ kann die Trägerlage 30 beispielsweise ein Fasergewebe oder Fasergelege aufweisen, welches in einem Matrixmaterial eingebettet ist. Die Trägerlage 30 kann jedoch auch frei von Matrixmaterial sein. Beispielsweise kann die Trägerlage 30 aus einem Material bestehen, welches im Vergleich zum Material der imprägnierten textilen Lage 20 kostengünstig herstellbar ist.
Vorteilhafterweise überdeckt die imprägnierte textile Lage 20 die Trägerlage 30 nicht vollständig. Insbesondere ist lediglich ein Bereich von der imprägnierten textilen Lage 20 abgedeckt, welcher später nach einem Umformvorgang das herzustellende Bauteil bildet. Die Trägerlage 30 und die imprägnierte textile Lage 20 können durch lokale Verbindungen, wie z. B. lokale Schweißverbindungen, miteinander verbunden sein, und so ein unkonsolidiertes Halbzeug 1 bilden. Optional kann dieses unkonsolidierte Halbzeug 1 in einem nachgelagerten Prozessschritt konsolidiert werden. Das unkonsolidierte bzw. konsolidierte Halbzeug 1 ist in einem Spannrahmen 4 mittels Befestigungselementen 40, die als Spannelemente ausgebildet sind, befestigt, wobei die Befestigungselemente 40 direkt mit der Trägerlage 30 verbunden sind.
Nach dem Befestigen des Halbzeugs 1 am Spannrahmen 4 weist die imprägnierte textile Lage 20 einen minimalen Abstand zum Spannrahmen 4 auf, der größer ist als ein minimaler Abstand der Trägerlage 30 zum Spannrahmen 4. Beispielsweise kann die imprägnierte textile Lage 20 einen minimalen Abstand zum Spannrahmen 4 aufweisen, der mindestens 10 cm größer ist als der minimale Abstand zwischen der Trägerlage 30 und dem Spannrahmen 4.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren muss im Vergleich zum Stand der Technik weniger Material recycelt werden. Darüber hinaus entfällt eine aufwändige Nachbearbeitung des umgeformten Halbzeugs. Weiterhin wird eine Zeitersparnis in der Fertigung erzielt, da aufgrund der eingesparten Fläche auch die Legezeit der Fasertapes reduziert wird. Somit zeichnet sich das hier beschriebene Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik durch eine hohe Kostenersparnis aus.
Die 3A bis 3C zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des hier beschriebenen Verfahrens, wobei die 3A bis 3C wiederum verschiedene Ansichten desselben Halbzeugs 1 darstellen. Im Vergleich zu dem im Zusammenhang mit den 2A bis 2C gezeigten Verfahren wird beim Herstellen des Halbzeugs 1 eine weitere Trägerlage 31 direkt auf der ersten Trägerlage 30 angeordnet. Auf der weiteren Trägerlage 31 wird dann die imprägnierte textile Lage 20 angeordnet. Nach dem Anordnen der Trägerlagen 30, 31 und der imprägnierten textilen Lage 20 können die einzelnen Lagen mittels lokaler Verbindungen verbunden werden, sodass ein unkonsolidiertes Halbzeug 1 entsteht. Optional kann dieses unkonsolidierte Halbzeug 1 in einem nachgelagerten Prozessschritt konsolidiert werden. Anschließend wird das unkonsolidierte bzw. konsolidierte Halbzeug 1 mittels Befestigungselementen 40 im Spannrahmen 4 befestigt, wobei die erste Trägerlage 30 mittels der Befestigungselemente 40 am ersten und zweiten Rahmenelement 41, 42 des Spannrahmens 4 befestigt wird, und die weitere Trägerlage 31 mittels der Befestigungselemente 40 am dritten und vierten Rahmenelement 43, 44 des Spannrahmens befestigt wird.
Die Trägerlagen 30, 31 bestehen jeweils aus einer Mehrzahl von Fasertapes 5, welche innerhalb der Lage nebeneinander angeordnet sind. Dabei erstrecken sich die einzelnen Fasertapes 5 der ersten Trägerlage 30 vom ersten Rahmenelement 41 in Richtung des zweiten Rahmenelements 42. Die einzelnen Fasertapes 5 der zweiten Trägerlage 31 erstrecken sich vom dritten Rahmenelement 43 in Richtung des vierten Rahmenelements 44. Somit weisen die Fasertapes 5 der ersten Trägerlage 30 eine Haupterstreckungsrichtung auf, die senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung der Fasertapes 5 der zweiten Trägerlage 31 ist. Die imprägnierte textile Lage 20 ist im Überlappungsbereich, in welchem die erste Trägerlage 30 der zweiten Trägerlage 31 überlappt, angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß den 3A bis 3C besteht die imprägnierte textile Lage 20 aus imprägnierten Fasertapes 5, die innerhalb der Lage 20 nebeneinander angeordnet sind. Alternativ kann die imprägnierte textile Lage 20 beispielsweise auch aus einem in Matrixmaterial eingebetteten Fasergelege oder Fasergewebe bestehen. Weiterhin können auf der imprägnierten textilen Lage 20 weitere imprägnierte textile Lagen angeordnet sein.
Die 4A bis 7B zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Halbzeugen 1, die bei dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt und an einem Spannrahmen befestigt werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4A und 4B wird im Unterschied zu dem im Zusammenhang mit den 2A bis 2C gezeigten Ausführungsbeispiel beim Herstellen des Halbzeugs 1 eine weitere imprägnierte textile Lage 21 direkt auf der ersten imprägnierten textilen Lage 20 angeordnet. Beispielsweise kann die imprägnierte textile Lage 21 dieselbe Fläche aufweisen wie die erste imprägnierte textile Lage 20 und derart auf der ersten imprägnierten textilen Lage 20 angeordnet werden, dass sie diese aus z-Richtung gesehen vollständig überdeckt. Die erste imprägnierte textile Lage 20 und die weitere imprägnierte textile Lage 21 können jeweils aus imprägnierten Fasertapes bestehen, wobei die Orientierung der Fasertapes der ersten imprägnierten textilen Lage 20 und der weiteren imprägnierten textilen Lage 21 entweder gleich oder unterschiedlich sein kann. Weiterhin können eine oder mehrere weitere imprägnierte textile Lagen direkt auf der weiteren imprägnierten textilen Lage 21 angeordnet werden. Nach dem Befestigen des Halbzeugs 1 am Spannrahmen 4 weisen die imprägnierten textilen Lagen 20, 21 vorzugsweise einen größeren Abstand zum Spannrahmen 4 auf als die Trägerlage 30. Zum Befestigen des Halbzeugs 1 am Spannrahmen 4 werden die Befestigungselemente 40 vorzugsweise lediglich mit der Trägerlage 30 verbunden.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß den 5A und 5B wird im Unterschied zu dem in den 2A bis 2C gezeigten Ausführungsbeispiel beim Herstellen des Halbzeugs 1 eine weitere Trägerlage 31 auf der imprägnierten textilen Lage 20 angeordnet. Somit ist die imprägnierte textile Lage 20 zwischen der ersten Trägerlage 30 und der weiteren Trägerlage 31 angeordnet. Die weitere Trägerlage 31 kann beispielsweise identisch wie die erste Trägerlage 30 ausgebildet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel können die erste Trägerlage 30 und die weitere Trägerlage 31 zum Befestigen des Halbzeugs 1 am Spannrahmen jeweils mittels Befestigungselementen 40 an zwei gegenüberliegenden Rahmenelementen des Spannrahmens 4 befestigt werden, wobei die erste Trägerlage 30 und die weitere Trägerlage 31 vorzugsweise an denselben Rahmenelementen befestigt werden. Nach dem Befestigen des Halbzeugs 1 am Spannrahmen 4 weist imprägnierte textile Lage 20 vorzugsweise einen größeren Abstand zum Spannrahmen 4 bzw. zu den Rahmenelementen des Spannrahmens 4 auf als die Trägerlagen 30, 31.
In den 6A und 6B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied zu den in den 5A und 5B gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest eine weitere imprägnierte textile Lage 21 zwischen der ersten Trägerlage 30 und der weiteren Trägerlage 31 angeordnet wird. Beispielsweise kann die weitere imprägnierte textile Lage 21 dieselbe Fläche wie die erste imprägnierte textile Lage 20 aufweisen und derart auf der ersten imprägnierten textilen Lage 20 angeordnet sein, dass die erste imprägnierte textile Lage 20 vollständig von der weiteren imprägnierten textilen Lage 21 bedeckt ist. Die Ausrichtung der Fasern der weiteren imprägnierten textilen Lage 21 kann entweder identisch zur Ausrichtung der Fasern der ersten imprägnierten textilen Lage 20 sein oder sich von der Ausrichtung der Fasern der ersten imprägnierten textilen Lage 20 unterscheiden. Alternativ zu dem in den 6A und 6B gezeigten Ausführungsbeispiel können eine oder mehrere weitere imprägnierte textile Lagen zwischen der ersten Trägerlage 30 und der weiteren Trägerlage 31 angeordnet sein. Vorzugsweise werden die Trägerlagen und die imprägnierten textilen Lagen zumindest lokal oder flächig miteinander verbunden, bevor das Halbzeug 1 am Spannrahmen 4 befestigt wird. Nach dem Befestigen des Halbzeugs 1 am Spannrahmen 4 weisen alle imprägnierten textilen Lagen vorzugsweise einen größeren Abstand zum Spannrahmen auf als die erste und/oder weitere Trägerlage 30, 31.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 7A und 7B weist das Halbzeug 1 im Unterschied zu dem in den 3A bis 3C gezeigten Ausführungsbeispiel zwei weitere Trägerlagen 32, 33 auf, welche auf den imprägnierten textilen Lagen 20, 21 angeordnet sind, sodass die imprägnierten textilen Lagen 20, 21 jeweils zwischen zwei Trägerlagen 30, 33, welche am ersten und zweiten Rahmenelement 41, 42 des Spannrahmens 4 befestigt sind, und zwei Trägerlagen 31, 32, die am dritten und vierten Rahmenelement 43, 44 des Spannrahmens 4 befestigt sind, angeordnet sind. Weiterhin können zwischen den imprägnierten textilen Lagen 20, 21 eine oder mehrere weitere imprägnierte textile Lagen angeordnet sein. Vorzugsweise weisen alle imprägnierten textilen Lagen einen minimalen Abstand zum Spannrahmen 4 auf, der größer ist als ein minimaler Abstand zwischen den Trägerlagen 30, 31, 32, 33 und dem Spannrahmen 4.
Die in den gezeigten Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein. Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Halbzeug
20: imprägnierte textile Lage
21: weitere imprägnierte textile Lage
30: Trägerlage
31, 32, 33: weitere Trägerlage
4: Spannrahmen
40: Befestigungselement
41: erstes Rahmenelement
42: zweites Rahmenelement
43: drittes Rahmenelement
44: viertes Rahmenelement
5: Fasertape
6: Bauteilbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4218434 A1 [0002]
US 2011/0111168 A1 [0003]
US 8414729 B2 [0004]
US 2013/186557 A1 [0004]
DE 102011113651 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff, aufweisend die folgenden Schritte: – Herstellen eines Halbzeuges (1) durch Anordnen zumindest einer imprägnierten textilen Lage (20) auf zumindest einer Trägerlage (30), – Befestigen des Halbzeuges (1) an einem Spannrahmen (4) mittels Befestigungselementen (40), – wobei die zumindest eine imprägnierte textile Lage (20) einen größeren Abstand zum Spannrahmen (4) aufweist als die zumindest eine Trägerlage (30).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Befestigungselemente (40) direkt mit der Trägerlage (30) verbunden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die imprägnierte textile Lage (20) einen Abstand zum Spannrahmen (4) aufweist, der zumindest 10 cm größer ist als ein minimaler Abstand zwischen der Trägerlage (30) und dem Spannrahmen (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die imprägnierte textile Lage (20) und die Trägerlage (30) vor dem Befestigen am Spannrahmen (2) durch lokale Verbindungen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die imprägnierte textile Lage (20) eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Fasertapes (5) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerlage (30) ein Fasergewebe, ein Fasergelege oder ein Fasergewirk aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerlage (30) eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Fasertapes (5) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Herstellen des Halbzeuges (1) zumindest eine weitere Trägerlage (31) auf der imprägnierten textilen Lage (20) oder auf der Trägerlage (30) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die imprägnierte textile Lage (20) zwischen der Trägerlage (30) und der weiteren Trägerlage (31) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die weitere Trägerlage (31) mittels Befestigungselementen (40) am Spannrahmen (4) befestigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Herstellen des Halbzeuges (1) eine Vielzahl von imprägnierten textilen Lagen (20, 21) auf der Trägerlage (30) angeordnet werden, welche jeweils einen größeren Abstand zum Spannrahmen (4) aufweisen als die Trägerlage (30).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei alle imprägnierten textilen Lagen (20, 21) zwischen der Trägerlage (30) und der weiteren Trägerlage (31) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannrahmen (4) ein erstes Rahmenelement (41) und ein dem ersten Rahmenelement (41) gegenüberliegendes zweites Rahmenelement (42), sowie ein drittes Rahmenelement (43) und ein dem dritten Rahmenelement (43) gegenüberliegendes viertes Rahmenelement (44) aufweist, und wobei die Trägerlage (30) mittels der Befestigungselemente (40) am ersten und zweiten Rahmenelement (41, 42) befestigt ist, und die weitere Trägerlage (31) mittels Befestigungselementen (40) am dritten und vierten Rahmenelement (43, 44) befestigt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug (1) nach dem Befestigen am Spannrahmen (4) erwärmt wird und anschließend mittels eines Formwerkzeugs umgeformt wird, wobei das Halbzeug (1) während des Umformens mittels des Formwerkzeugs am Spannrahmen (4) befestigt ist.