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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundbauteilhalbzeugs sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Faserverstärkte Verbundbauteile werden bei Kraftfahrzeugen zunehmend verwendet. Die Erfindung ist allerdings nicht nur auf Kraftfahrzeugteile beschränkt, sondern könnte auch in der Luftfahrt-, Bau- und Sportgeräteindustrie verwendet werden.
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Die Verbundbauteilhalbzeuge werden nach ihrer Herstellung mit Harz behandelt und ausgehärtet. Bei ihrer Herstellung sind bislang sehr personalintensive Fertigungsabläufe vorgesehen. Aufgrund der rasant ansteigenden Verbreitung solcher Bauteile wird verstärkt nach Möglichkeiten gesucht, einen höheren Durchsatz bei der Fertigung zu erzeugen. Bekannte Fertigungslinien können diese Anforderungen häufig nicht ausreichend erfüllen, was insbesondere für das sogenannte Tailored Fiber Placement zutrifft, wo aufgrund der Ablage mehrerer Schichten von Verstärkungsfasern entlang besonders beanspruchter Lastpfade ein mehrfacher Transport der Halbzeuge zwischen Faserablage und Bebinderung erforderlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit bei der Herstellung faserverstärkter Verbundbauteile mit einer hohen Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundbauteilhalbzeugs, mit:
wenigstens einer Stickeinrichtung zur Ablage und Befestigung von Verstärkungsfasern auf einem Trägermaterial eines Verbundbauteilhalbzeugs und zur lastpfadabhängigen Verstärkung des Trägermaterials mittels Verstärkungsfasern, und
wenigstens einer Bebinderungseinrichtung zum Aufbringen und Verbinden eines Bindermaterials, welches eine Aufbringeinheit zum Aufbringen des Bindermaterials an den abgelegten Verstärkungsfasern und eine Aktivierungseinheit zum Verbinden des Bindermaterials mit den Verstärkungsfasern und dem Trägermaterial aufweist,
wobei verfahrbare, einzelne Transporthalter, insbesondere Spannrahmen, an denen jeweils wenigstens ein Trägermaterial temporär zum Transport durch die Vorrichtung befestigt ist, insbesondere aufgespannt ist, vorgesehen sind sowie eine Transportvorrichtung zum Verfahren der Transporthalter zumindest zwischen der Stickeinrichtung und der Bebinderungseinrichtung vorhanden ist.
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Erfindungsgemäß werden portable Transporthalter, d. h. wiederverwendbare Transporthalter verwendet, an denen das Trägermaterial und anschließend das dadurch gebildete Verbundbauteilhalbzeug durch mehrere Stationen transportiert wird, in denen es weiterverarbeitet werden kann. Am Transporthalter ist das Trägermaterial, das mit den daran befestigten Verstärkungsfasern zum Verbundbauteilhalbzeug wird, so positioniert, dass es freiliegt und in den einzelnen Stationen einfach bearbeitet werden kann. Der Transporthalter vereinfacht die Positionierung und den Transport selbst, der optional vollautomatisch zwischen allen Stationen, zumindest aber zwischen der Stickeinrichtung und der Bebinderungseinrichtung vollautomatisch erfolgen kann.
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Es kann ein Lager zur Aufnahme einer Mehrzahl von Transporthaltern vor und/oder nach der Transportvorrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise sind Regalwagen einsetzbar, in denen die Transporthalter, die insbesondere Spannrahmen sind, übereinander gestapelt werden. Aus solchen Regalen lassen sich die Transporthalter einfach entnehmen. Umgekehrt können diese Regale auch sehr einfach mit fertigen oder halbfertigen Verbundbauteilhalbzeugen bestückt und weitertransportiert werden.
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Die Aufbringeinheit und/oder die Aktivierungseinheit können verfahrbar ausgeführt sein, um beispielsweise mehrere Trägermaterialien oder Verbundbauteilhalbzeuge, die nacheinander oder nebeneinander transportiert werden, weiterzubearbeiten. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Aufbringeinheit und/oder die Aktivierungseinheit längs eines Verbundbauteilhalbzeugs, welches stationär positioniert wird, zu verfahren, wodurch die Abmessungen der Aufbringeinheit und der Aktivierungseinheit reduziert werden können. Beispielsweise kann Bebinderungsmaterial, ähnlich wie bei einem Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, lokal beim Überfahren des Verbundbauteilhalbzeugs abgegeben werden. Damit muss die Aufbringeinheit oder die Aktivierungseinheit keine derart großen Abmessungen haben, dass sie die ganze Fläche oder Breite des Verbundbauteilhalbzeugs abdecken. Die Aufbringeinheit und/oder die Aktivierungseinheit sind vorzugsweise wenigstens in einer Richtung innerhalb einer Verfahrebene beweglich, insbesondere über eine frei programmierbare Steuerung, wobei diese Ebene vorzugsweise parallel zur Verfahrebene der Transportvorrichtung liegt.
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Wenn mehrere Stickeinrichtungen vorgesehen sind, kann eine Aufbringeinheit und eine Aktivierungseinheit so positioniert und verfahrbar sein, dass sie Trägermaterial beider Stickeinrichtungen bearbeitet.
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Die Aufbringeinheit und die Aktivierungseinheit können optional auch im Wesentlichen unabhängig voneinander verfahren werden. Während die eine Einheit noch Bindermaterial streut, kann die andere Einheit das Bindermaterial erwärmen, gegebenenfalls auch das Bindermaterial auf einem anderen Transporthalter.
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Es können auch mehrere seriell und/oder parallel zueinander angeordnete Paare, bestehend aus einer Stickeinrichtung und einer Bebinderungseinrichtung, vorgesehen sein. Die Transportvorrichtung kann dann die Transporthalter zwischen diesen Paaren transportieren, beispielsweise zum Aufbringen von mehreren übereinanderliegenden Schichten von Verstärkungsfasern auf demselben Trägermaterial.
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Der Bebinderungseinrichtung kann auch eine Preformeinrichtung nachgeschaltet sein. Diese Preformeinrichtung ist so ausgebildet, dass in sie der Transporthalter samt Verbundbauteilhalbzeug eingelegt werden kann. Das Verbundbauteilhalbzeug wird in der Preformeinrichtung mit einem Matrixmaterial versehen und/oder umgeformt.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Verbundbauteilhalbzeugs, welches ein Trägermaterial und an diesem angebrachte Verstärkungsfasern aufweist. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
das Trägermaterial wird an einem Transporthalter, insbesondere einem Spannrahmen, der in eine Transportvorrichtung einkoppelbar ist, befestigt, sodass das Trägermaterial freiliegt, insbesondere im Spannrahmen aufgespannt,
der bestückte Transporthalter wird anschließend einer Stickeinrichtung zugeführt,
mittels der Stickeinrichtung wird eine erste Schicht von Verstärkungsfasern an einem vorbestimmten Lastpfad am Trägermaterial angebracht und an diesem befestigt,
der Transporthalter wird anschließend zu einer Aufbringeinheit einer Bebinderungseinrichtung transportiert, wo Bindermaterial im Bereich der Verstärkungsfasern auf das mit Verstärkungsfasern bestückte Trägermaterial aufgebracht wird, und
der Transporthalter wird anschließend zu einer Aktivierungseinheit transportiert, in der das Bindermaterial aktiviert wird, um Verstärkungsfasern und Trägermaterial miteinander zu verbinden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht gemäß einer Ausgestaltung vor, dass nach dem Bebindern einer zuvor angebrachten Schicht von Verstärkungsfasern der Transporthalter mit dem Trägermaterial erneut beschichtet wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Transporthalter mittels der Transportvorrichtung zu der vorherigen oder einer weiteren Stickeinrichtung transportiert wird, wo eine weitere Schicht von Verstärkungsfasern entlang wenigstens eines vorbestimmten Lastpfades oder des zuvor bereits mit Verstärkungsfasern versehenen Lastpfades am Trägermaterial angebracht wird. Der Transporthalter wird insbesondere mittels der Transportvorrichtung zu der vorher bereits verwendeten Bebinderungseinrichtung oder zu einer weiteren Bebinderungseinrichtung transportiert. Danach wird das Trägermaterial erneut bebindert.
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Die Transporthalter können, wie bereits zuvor anhand der Vorrichtung erläutert, in einem Lager bereitgestellt werden, und zwar mit aufgespanntem Materialträger.
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Nach dem Verstärken und Bebindern des darin aufgespannten Trägermaterials werden die Transporthalter beispielsweise zurück zu dem Lager, zu einem weiteren Lager, zu einer Preformeinrichtung oder zu einem One-shot-Werkzeug transportiert. Im One-shot-Werkzeug wird das zugeordnete Verbundbauteilhalbzeug vorgeformt und einer Harzinjektionsbehandlung unterzogen.
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Alternativ hierzu kann das Verbundbauteilhalbzeug aber nach dem Bebindern dem Transporthalter entnommen, vorgeformt und anschließend einer Injektionsbehandlung unterzogen werden, also mit anderen Worten einem RTM-Verfahren unterzogen werden.
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Die Aufbringeinheit und die Aktivierungseinheit können zwischen benachbarten Stickköpfen verfahren werden und in beiden Stickköpfen bearbeitete Trägermaterialien weiterverarbeiten. Umgekehrt kann natürlich auch von beiden Stickköpfen ausgehend über eine oder mehrere Transportvorrichtungen die Transporthalter zu einer gemeinsamen Aufbringeinheit und einer gemeinsamen Aktivierungseinheit transportiert werden, wo das Verbundbauteilhalbzeug dann weiterverarbeitet wird.
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Der Transporthalter ist, wie gesagt, vorliegend insbesondere ein Spannrahmen, in den Trägermaterial flächig eingespannt wird. Das Trägermaterial liegt dann in der Ebene des Rahmens. Der Transporthalter kann aus Stahl, Gusseisen, Kunststoff, Keramik, Holz oder aus einer Kombination dieser Materialien sein. Der Transporthalter lässt sich einteilig oder mehrteilig ausbilden und kann gegebenenfalls auch Befestigungselemente, d. h. wiederverwendbare Befestigungselemente für das Trägermaterial besitzen.
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Unter einem Verbundbauteilhalbzeug wird im Sinne der Erfindung ein mittels Verstärkungsfasern verstärktes Trägermaterial verstanden, das natürlich auch weiter mit noch mehr Verstärkungsfasern versehen werden kann. Zur Vereinfachung wird hier auch noch von einem Trägermaterial gesprochen, selbst wenn dieses bereits verstärkt ist und weitere Verstärkungslagen erhält.
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Trägermaterial kann vorliegend als Gelegematte oder als ein anderes flächiges Halbzeug mit einem Gewebe, Geflecht, Gelege und/oder Gefilz ausgebildet und vorzugsweise als lange Bandhalbware bereitgestellt sein. Das Trägermaterial kann einzelnes oder ein hybrides Fasermaterial aufweisen, vorzugsweise mit einem Kohlenstoff-, Aramid- und/oder Glasfaserwerkstoff.
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Die Verstärkungsfasern sind vorzugsweise mit einem Kohlenstoff-, Aramid- und/oder Glasfaserwerkstoff ausgeführt.
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Eine Stickeinrichtung weist vorzugsweise einen Faserablagekopf zur Ablage von aus einem Faserlager geförderten Verstärkungsfasern und einen Stickkopf zur Fixierung der Verstärkungsfasern auf dem Trägermaterial auf.
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Die Aufbringeinheit ist insbesondere ein mit einem Materialspender zur gezielten Abgabe von vorzugsweise als Granulat oder Pulver vorgesehenem Bindermaterial ausgestattet. Die Aufbringeinheit ebenso wie die Aktivierungseinheit sind insbesondere in den Hauptbewegungsrichtungen der Transporteinrichtung und orthogonal hierzu, und zwar orthogonal in horizontaler Richtung, verfahrbar.
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Als Aktivierungseinheit ist vorzugsweise eine Heizeinrichtung vorgesehen zum gezielten Ansintern des Bindermaterials.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren arbeiten mit einer frei programmierbaren Steuerungseinrichtung, welche die Bewegung der Transportvorrichtung ebenso wie die Aktivitäten der Bebinderungseinrichtung steuert oder regelt.
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Die Transportvorrichtung kann ein Transportband oder ein Rollenförderer sein, auf dem Transporthalter transportiert werden können. Führungen oder Positioniermittel erleichtern die Ausrichtung der Transporthalter in den jeweiligen Stationen.
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Die Transportvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich aber auch noch mehrachsig, frei programmierbare Handhabungswerkzeuge wie Roboter aufweisen oder durch sie gebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erleichtern ein weitgehend automatisiertes Fertigen eines Verbundbauteilhalbzeugs bei hoher Qualität und hohem Durchsatz.
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Die Vorrichtung kann auch bereits mit einer Preformeinrichtung oder ganz allgemein mit einer Einrichtung zum Injizieren von Matrixmaterial in das Verbundbauteilhalbzeug oder einer Station zum Formen eines faserverstärkten Verbundbauteils ausgestattet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, in einer Draufsicht,
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2 die Vorrichtung nach 1 in einer schematischen Seitenansicht,
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3 eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform in Draufsicht, und
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4 ein Flussdiagramm, in dem die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß mehrerer beispielhafter Ausführungsformen zusammengefasst sind.
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundbauteilhalbzeugs dargestellt, die mehrere Stationen oder Einheiten aufweist. Zentraler Bestandteil der Vorrichtung ist eine Transportvorrichtung 10, hier beispielsweise in Form eines Transportbandes oder eines Rollenförderers, längs der in einer horizontalen Verfahrebene in einer Richtung A Transporthalter 20 in Form von Spannrahmen nacheinander durch einzelne Stationen transportiert werden.
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Die Vorrichtung umfasst eine Stickeinrichtung 22 mit einem Faserablagekopf 24 zur Ablage von aus einem Faserlager geförderten Verstärkungsfasern 30 und einem nachgeschalteten Stickkopf 26 zur Fixierung der Verstärkungsfasern 30 auf einem flächigen textilen Trägermaterial 28.
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Das Trägermaterial 28 ist in dem Transporthalter 20 flächig fixiert, vorzugsweise aufgespannt, sodass es freiliegt. Die Ebene, die durch das Trägermaterial 28 gebildet ist, ist vorzugsweise horizontal gelegen.
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In Transportrichtung A der Stickeinrichtung 22 nachgeschaltet ist eine Bebinderungseinrichtung 32, welche eine sogenannte Aufbringeinheit 34 und eine nachgeschaltete Aktivierungseinheit 36 umfasst.
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In der Aufbringeinheit 34 wird Bindermaterial 35 abgegeben, beispielsweise unter Verwendung einer Schablone, gestreut.
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Die Aktivierungseinheit 36 umfasst eine Heizeinrichtung, die Bindermaterial 35 auf eine Sintertemperatur bringen kann.
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Wie in 1 zu sehen ist, hat die Transportvorrichtung 10 parallele, längs der Transportrichtung A verlaufende Führungen 40, 42 welche die Transporthalter 20 seitlich exakt führen.
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Der Transportvorrichtung 10 vorgeschaltet ist ein Lager 44, hier in Form eines Magazins oder eines Regals, in welchem übereinander zahlreiche Transporthalter 20 untergebracht sind. Diese Transporthalter sind vorzugsweise bereits mit dem Trägermaterial 28 bestückt.
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Der Transportvorrichtung 10 nachgeschaltet ist ebenfalls ein Lager 46, das exakt so ausgeführt sein kann wie das Lager 44. In ihm werden Transporthalter mit zu Verbundbauteilhalbzeug weiterverarbeitetem Trägermaterial aufgenommen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren arbeiten wie folgt.
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Die Transporthalter 20 werden nacheinander manuell oder automatisiert dem Lager 44 entnommen und der Transportvorrichtung 10 zugeführt.
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Die Transportvorrichtung 10 transportiert die Transporthalter 20 zur Stickeinrichtung 22. Dort werden Verstärkungsfasern 30 über den Faserablagekopf 24 auf das flächig freiliegende Trägermaterial 28 aufgelegt. Die Fasern 30 werden allerdings längs eines vorgegebenen Lastpfades 50 positioniert.
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Die Positionierung erfolgt beispielsweise durch eine Relativbewegung des Transporthalters 20 zum Faserablagekopf 24. Hierbei kann der Faserablagekopf 24 oder die gesamte Stickeinrichtung 22 in einer oder mehreren Richtungen in einer Ebene parallel zur Transportebene, d. h. in Transportrichtung A (und natürlich jeweils in Gegenrichtung) und einer dazu orthogonalen Richtung B (und deren Gegenrichtung) verfahren werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Bewegung des Transporthalters 20 in Transportrichtung A durch die Transportvorrichtung realisiert werden.
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Die aufgebrachten Fasern 30 werden durch den Stickkopf 24 so weit auf dem Trägermaterial fixiert, dass sie relativ positionsfest sind.
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Natürlich kann der Stickkopf 26 separat von dem Faserablagekopf 24 beweglich sein. Auch der Stickkopf 26 sollte in die Richtungen A und B verfahrbar sein.
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Der Transporthalter wird anschließend von der Transportvorrichtung zur Bebinderungseinrichtung 32 verfahren, wo zuerst Bindermaterial auf die Verstärkungsfasern 30 aufgebracht, insbesondere aufgestreut wird.
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Auch die Aufbringeinheit 34 kann zumindest in Richtung B, vorzugsweise auch in Richtung A (die Gegenrichtung ist jeweils mit umfasst), verfahrbar sein.
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Das Granulat oder pulverförmige Bindermaterial 35 wird anschließend in der Aktivierungseinheit 36 erwärmt und angesintert, sodass es die Verstärkungsfasern 30 mit dem Trägermaterial 28 verbindet.
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Auch die Aktivierungseinheit 36 muss nicht die gesamte Bahnbreite aufweisen und kann gegebenenfalls in Richtung B und gegebenenfalls auch A (Gegenrichtung jeweils mit enthalten) verfahrbar sein.
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Die Verfahrbewegungen können bei den einzelnen Einrichtungen und Einheiten z. B. durch eine frei programmierbare Einrichtung gesteuert werden.
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Wenn die Verstärkungslage erzeugt worden ist, kann der Transporthalter 20 anschließend in das Magazin 46 überführt werden. Alternativ hierzu kann der Transporthalter aber auch durch die Transportvorrichtung 10 zurück zur Stickeinrichtung 22 gefahren werden, wo eine weitere Schicht mit Fasern 30 aufgebracht wird. Diese Schicht kann auf der zuvor erzeugten Verstärkungsschicht aufgebracht werden oder teilweise auf dieser oder komplett an anderen Stellen. Danach durchläuft der Transporthalter 20 wieder die Bebinderungseinrichtung. Dieser Vorgang kann sich mehrfach wiederholen.
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Alternativ hierzu können auch mehrere hintereinander angeordnete Stationen mit Paaren von Stickeinrichtungen 22 und Bebinderungseinrichtungen 32 hintereinander oder parallel zueinander angeordnet sein. Dabei lassen sich mehrere Schichten von Verstärkungsfasern auf ein Trägermaterial 28 aufbringen und/oder parallel mehrere Trägermaterialien zu Verbundbauteilhalbzeugen weiterverarbeiten.
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In 4 sind aufeinanderfolgende Schritte, die auch innerhalb der Vorrichtung oder außerhalb der Vorrichtung erfolgen können, gezeigt.
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Nachdem eine oder mehrere Schichten (untere bzw. obere Schicht) erzeugt sind, kann gemäß einer Version 1 der portable Spannrahmen 20 in eine Preformanlage oder in ein One-shot-Werkzeug überführt werden. Hier wird das Verbundbauteilhalbzeug umgeformt und infiltriert, d. h. mit einem Matrixmaterial versehen. Im One-shot-Werkzeug erfolgt ein einstufiger Prozess, bei dem im selben Werkzeug umgeformt und injiziert wird. Bei kleinen Bauteilen könnte es ausreichend sein, dass das Bauteil im Niederdruckbereich injiziert und ausgehärtet wird. Optional kann anschließend getempert werden, was aber von der Aushärtezeit abhängig ist.
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Alternativ hierzu, wie mit Version 2 angedeutet, kann das Verbundbauteilhalbzeug dem Transporthalter 20 entnommen werden und in eine 3D-Geometrie verformt werden, bevor es im RTM-Verfahren schließlich zum Verbundbauteil weiterverarbeitet wird.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der mehrere hintereinander angeordnete Paare, jeweils gebildet durch eine Stickeinrichtung 22 und eine Bebinderungseinrichtung mit einer Aufbringeinheit 34 und einer Aktivierungseinheit 36, hintereinander längs der Bewegungsbahn der Transportvorrichtung 10 angeordnet sind. Das zweite und das dritte Paar haben eine Bebinderungseinrichtung 22' bzw. 22'', eine Aufbringeinheit 34' bzw. 34'' sowie eine Aktivierungseinheit 36' bzw. 36''.
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Die Transporthalter 20 werden nacheinander durch die durch die Paare gebildeten Stationen bewegt und mit einer oder mehrerer Verstärkungsschichten versehen.
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Die fertigen Verbundbauteilhalbzeuge werden dann von einem Industrieroboter 65, der beispielsweise längs einer Führungsbahn 67 beweglich ist, samt dem Transporthalter 20 der Transportvorrichtung 10 entnommen und einer Preformvorrichtung 69 übergeben.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist für jede Stickeinrichtung 22 eine zugeordnete Bebinderungseinrichtung vorgesehen.
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Wie zuvor anhand der 1 und 2 erläutert, können die einzelnen Stickeinrichtungen 22, 22' und 22'' und ihre zugeordneten Aufbringeinheiten und Aktivierungseinheiten einzeln oder in Gruppen unabhängig voneinander bewegt werden, wofür zugeordnete frei programmierbare Verfahreinheiten vorgesehen sind.
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Es ist jedoch auch möglich, dass die Bebinderungseinrichtung für die Stickeinrichtung 22' weggelassen wird und dafür die Bebinderungseinrichtung der Stickeinrichtung 22 gleichzeitig auch für diese Stickeinrichtung 22' zuständig ist.
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Dazu wird durch die Transportvorrichtung 10 der entsprechende Spannrahmen 20 entweder von der Stickeinrichtung 22 oder der Stickeinrichtung 22' in die gemeinsame Bebinderungseinrichtung verfahren. Alternativ hierzu kann jedoch auch die Bebinderungseinrichtung (Aufbringeinheit 34 und der Aktivierungseinheit 36) verfahren werden, und zwar zwischen Positionen an der oder nahe der jeweiligen Stickeinrichtung 22 und 22'.
