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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vorformling zum Auffüllen eines Zwischenraums, ein Vorformbauteil, und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus einem mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial mittels der zuvor genannten Vorrichtung.
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In der Produktion von Faserverbundbauteilen aus trockenen textilen Halbzeugen entstehen in erheblichem Maße sortenreine Produktionsabfälle, insbesondere Kurzfasermaterial, das gegenwärtig als Abfall entsorgt wird oder in der Herstellung von Faservliesen genutzt wird. Faservliese werden hauptsächlich zur Verbesserung der Oberflächengüte von Faserverbundbauteilen als äußerste Lage, z.B. bei der Herstellung von Automobilbauteilen verwendet.
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In der
EP 2 439 054 A1 ist eine Vorrichtung zur automatischen kontinuierlichen Herstellung von Vorformlingen beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Ultraschalleinheit mit einer drehbaren angetriebenen Gegenwalze, wobei die Ultraschalleinheit eine Gruppe von Ultraschall-Hörnern aufweist, und wobei die Ultraschalleinheit zum Beaufschlagen mit Ultraschallenergie ausgebildet ist. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Andruckeinrichtung zur Druckbeaufschlagung über die Ultraschall-Hörner und eine Schneideinrichtung zum Schneiden eines kompaktierten steifen Laminats zu einer endgültigen Form des Vorformlings. Des Weiteren weist die Vorrichtung mindestens zwei Fasergefüge-Rollen mit trockenen Fasergefügen zum Zuführen von individuellen Schichten von trockenem Fasergefüge von jeder der mindestens zwei Fasergefüge-Rollen, mindestens eine Rolle eines thermoplastischen Binderelements zum Zuführen jeweils einer individuellen Schicht von Binderelement von jeder der Binder-Rollen, wobei die mindestens zwei Fasergefüge-Rollen und die mindestens eine Rolle so angeordnet sind, dass die mindestens eine individuelle Schicht von Binderelement von der mindestens einen Rolle zwischen den benachbarten individuellen Schichten von trockenem Fasergefüge von den mindestens zwei Fasergefüge-Rollen und im Wesentlichen parallel dazu und in engem Kontakt damit zu der Ultraschalleinheit geführt wird. Ferner ist die Ultraschalleinheit so ausgebildet, dass sie die mindestens zwei Schichten von trockenem Fasergefüge und die mindestens eine Schicht von Binderelement mit Ultraschallenergie beaufschlagen kann, um das Binderelement durch die Ultraschallenergie zu aktivieren.
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Mit anderen Worten, ist die Vorrichtung dazu vorgesehen im Wesentlichen flächige Laminate aus Fasergefüge und Bindermittel herzustellen. Die Herstellung individuell geformter Vorformlinge ist nicht möglich. Ferner ist es auch nicht möglich Kurzfasern zur Herstellung der Laminate zu verwenden.
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Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung mit einer Ultraschalleinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung individuell geformter Vorformlinge aus Kurzfasermaterial bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst, bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Merkmale der Vorrichtung gelten auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Gemäß der Erfindung ist ein Vorformling aus mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial zum Auffüllen eines Zwischenraums oder eines anderen, z.B. nachteiligen Hohlraums vorgesehen. Hierbei ist das Bindermittel durch Einleiten von Ultraschallenergie aktiviert, und der Vorformling weist eine längliche Geometrie zum Einlegen in eine längliche Aufnahme einer Primärstruktur auf, und ist zum Fügen mit der Primärstruktur ausgebildet.
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Gemäß der Erfindung ist ein Vorformbauteil mit einer Primärstruktur, die eine längliche Aufnahme besitzt, und eine Füllstruktur vorgesehen. Die Füllstruktur kann auch als Füllteil bezeichnet werden.
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Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial vorgesehen, wobei die Vorrichtung eine Ultraschalleinheit mit einer Sonotrode und ein Gegenelement aufweist. Die Sonotrode ist dazu vorgesehen, das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial zu verdichten und Ultraschallenergie in das verdichtete, mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial einzuleiten, um das Bindermittel zu aktivieren und den Vorformling auszubilden, wobei wenigstens eine Negativform an der Sonotrode und/oder dem Gegenelement ausgebildet ist. Das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial ist zwischen der Sonotrode und dem Gegenelement anordenbar und durch die Negativform ausformbar, wobei das Gegenelement als Aufnahme für das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial ausgebildet ist. Die Sonotrode ist zur kontinuierlichen Herstellung relativ, d.h. in Relation zu dem Gegenelement bewegbar.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus einem mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial mittels einer Vorrichtung vorgesehen, dass die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:
- a) Anordnen des mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials auf einem Gegenelement;
- b) Verdichten des mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials mittels einer Sonotrode, wobei die Sonotrode zumindest axial in Richtung des Gegenelements verfahren wird, wobei das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial in eine Negativform gepresst wird;
- c) Einleiten von Ultraschallenergie mittels Sonotrode in das verdichtete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial, um das Bindermittel zu aktivieren und den Vorformling auszubilden; und
- d) Entnahme des Vorformlings aus der an der Sonotrode und/oder am Gegenelement ausgebildeten Negativform.
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In einem erfindungsgemäßen Beispiel umfasst die Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial, und eine Ultraschalleinheit mit einer Sonotrode, wobei die Sonotrode dazu vorgesehen ist, das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial zu verdichten und Ultraschallenergie in das verdichtete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial einzuleiten, um das Bindermittel zu aktivieren und den Vorformling auszubilden. Das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial ist zwischen der Sonotrode und einem Gegenelement angeordnet, und das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial ist durch eine an der Sonotrode und/oder am Gegenelement ausgebildete Negativform ausformbar.
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Mit anderen Worten, wird der Vorformling im Wesentlichen durch Ultraschallschweißen mittels der Sonotrode der Ultraschalleinheit realisiert. Beim Ultraschallschweißen entsteht Reibungswärme durch den Eintrag von mechanischen Schwingungen bei gleichzeitiger Verdichtung. Mithin werden Temperatur und formgebender Druck simultan zugeführt. Dadurch wird das Bindermittel aufgeschmolzen. Nach Beendigung der Beschallung kühlt das aufgeschmolzene Bindermittel ab und erstarrt. Der Vorformling weist eine homogene Materialqualität auf. Im Vergleich zur Herstellung des Vorformlings in einem Ofen oder in einer Presse können deutlich geringere Zykluszeiten und ein deutlich geringerer Energieverbrauch realisiert werden.
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Die Negativform kann somit entweder an der Sonotrode oder am Gegenelement oder sowohl an der Sonotrode als auch am Gegenelement ausgebildet sein. Ferner bestimmt die Negativform im Wesentlichen die Geometrie des Vorformlings. Daher sind jegliche Formen und Dimensionen des Vorformlings denkbar. Der Vorformling wird nachfolgend imprägniert oder konsolidiert, wodurch letztendlich das fertige Verbundwerkstück ausgebildet wird. Dabei kann der Vorformling als Sub-Preform oder als Preform ausgebildet sein.
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Zur Ausbildung des Vorformlings wird zunächst das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial auf dem Gegenelement angeordnet. Sofern die Negativform am Gegenelement ausgebildet ist, wird das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial in die Negativform gelegt. Anschließend wird die Sonotrode axial in Richtung des Gegenelements verfahren und verdichtet das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial. Dabei wird das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial in die Negativform gepresst, wobei das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial die Gestalt der Negativform annimmt. Zur Stabilisierung des verdichteten mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial wird mittels Sonotrode Ultraschallenergie in das verdichtete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial eingeleitet. Dabei wird das Bindermittel aktiviert und der Vorformling ausgebildet. Abschließend wird die Sonotrode von dem Gegenelement beabstandet, sodass der Vorformling aus der Negativform entnommen werden kann. Dadurch kann ein Vorformling, dessen Abmaß kleiner ist als das Abmaß der Stirnfläche der Sonotrode, besonders schnell und einfach hergestellt werden.
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Zur diskontinuierlichen Herstellung des Vorformlings wird das Verdichten des mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials mittels Sonotrode und das Einleiten der Ultraschallenergie mittels Sonotrode in das verdichtete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial nacheinander an aneinander angrenzenden lokal unterschiedlichen Stellen des mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials wiederholt. Mit anderen Worten, verfährt die Sonotrode relativ zum Gegenelement bzw. das Gegenelement relativ zur Sonotrode, um einen Vorformling, dessen Abmaß größer ist als das Abmaß der Stirnfläche der Sonotrode, diskontinuierlich herzustellen.
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Vorzugsweise umfasst das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial einen Thermoplast- oder Epoxidbinder. Der Anteil des Bindermittels am mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 10 Gewichtsprozent. Ferner ist das Bindermittel homogen im mit Bindermittel versehenen Kurzfasermaterial verteilt. Ein geringer Anteil des Bindermittels stellt die Permeabilität für weitere Prozesse sicher. Das Bindermittel lässt sich somit erneut aufschmelzen und in geeignetem Maße in die Endkonsolidierung bzw. Infusion einbinden. Des Weiteren bevorzugt weist der Vorformling einen Kurzfaseranteil von 50 bis 80 Volumenprozent auf. Dieser Wert des Kurzfaseranteils realisiert ideale mechanische Eigenschaften.
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Ferner bevorzugt umfasst das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial Kurzfasern aus Kohlenstoff und/oder Glas und/oder Aramid. Die Faserlänge der Kurzfasern beträgt vorzugsweise höchstens 5 mm. Besonders bevorzugt beträgt die Faserlänge der Kurzfasern 1 mm bis 20 mm.
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Besonders bevorzugt weist die Ultraschallenergie eine Frequenz von mindestens 20kHz auf. Ferner bevorzugt beträgt die Frequenz der Ultraschallenergie höchstens 50kHz. Teilweise sind auch höhere Ultraschallfrequenzen zum Ultraschallschweißen denkbar und somit auch umfasst. Des Weiteren wird die Amplitude der jeweiligen Frequenzkomponente abhängig vom Bindermaterial eingestellt. Insbesondere findet eine Adaption des Ultraschallschweißverfahrens aus dem Kunststoffbereich statt. Maßgebend ist die relative Bewegungsrichtung zwischen der Sonotrode und des mit Bindermittel versehenen Kurzfasermaterials. Die Schwingrichtung der Sonotrode ist orthogonal zur Oberfläche des mit Bindermittel versehenen Kurzfasermaterials ausgerichtet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sonotrode zur kontinuierlichen Herstellung des Vorformlings eine Schräge auf. Die Schräge dient somit als Einlauf und ist im Wesentlichen dazu vorgesehen, kontinuierlich das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial zu verdichten, wobei ein repetitives Beabstanden der Sonotrode von dem Gegenelement nicht notwendig ist. Mithin wird die Sonotrode tangential über die Oberfläche des Gegenelements, auf der das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial angeordnet ist, bewegt. Das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial wird über die Schräge an der Sonotrode verdichtet und unter die Sonotrode geführt, wobei dort Ultraschallenergie mittels Sonotrode in das verdichtete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial eingeleitet wird, um das Bindermittel zu aktivieren und den Vorformling auszubilden. Ferner ist es auch denkbar die Sonotrode rotativ auszubilden, wobei über die Rotation der Sonotrode das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial entlang der Schräge an der Sonotrode unter die Sonotrode geführt wird.
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Gemäß der Erfindung sind auch die folgenden Beispiele vorgesehen, die der Einfachheit halber nummeriert sind:
- 1. Mit Bindermittel versehenes Kurzfasermaterial und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus dem mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial, wobei die Vorrichtung eine Ultraschalleinheit mit einer Sonotrode aufweist, wobei die Sonotrode dazu vorgesehen ist, das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial zu verdichten und Ultraschallenergie in das verdichtete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial einzuleiten, um das Bindermittel zu aktivieren und den Vorformling auszubilden, wobei das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial zwischen der Sonotrode und einem Gegenelement angeordnet ist, und wobei das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial durch eine an der Sonotrode und/oder am Gegenelement ausgebildete Negativform ausformbar ist.
- 2. Vorrichtung gemäß Beispiel 1, wobei das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial einen Thermoplast- oder Epoxidbinder umfasst.
- 3. Vorrichtung gemäß Beispiel 1, wobei das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial Kurzfasern aus Kohlenstoff und/oder Glas und/oder Aramid umfasst.
- 4. Vorrichtung gemäß Beispiel 1, wobei die Ultraschallenergie eine Frequenz von mindestens 20kHz aufweist.
- 5. Vorrichtung gemäß Beispiel 1, wobei das der Vorformling einen Kurzfaseranteil von 50 bis 80 Volumenprozent aufweist.
- 6. Vorrichtung gemäß Beispiel 1, wobei die Sonotrode zur kontinuierlichen Herstellung des Vorformlings eine Schräge aufweist.
- 7. Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings (2) aus einem mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial (1) mittels einer Vorrichtung gemäß Beispiel 1, umfassend die nachfolgenden Verfahrensschritte:
a) Anordnen des mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials (1) auf dem Gegenelement (5);
b) Verdichten des mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials (1) mittels Sonotrode (4), wobei die Sonotrode (4) zumindest axial in Richtung des Gegenelements (5) verfahren wird, wobei das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial (1) in die Negativform (6) gepresst wird;
c) Einleiten der Ultraschallenergie mittels Sonotrode (4) in das verdichtete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial (1), um das Bindermittel zu aktivieren und den Vorformling (2) auszubilden;
d) Entnahme des Vorformlings (2) aus der an der Sonotrode (4) und/oder am Gegenelement (5) ausgebildeten Negativform (6).
- 8. Verfahren gemäß Beispiel 7, wobei die Sonotrode (4) zur diskontinuierlichen Herstellung des Vorformlings (2) die Verfahrensschritte b) und c) nacheinander an aneinander angrenzenden lokal unterschiedlichen Stellen des mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials (1) wiederholt.
- 9. Verfahren gemäß Beispiel 7, wobei die Sonotrode (4) zur kontinuierlichen Herstellung des Vorformlings (2) über eine Oberfläche des Gegenelements (5) bewegt wird, um das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial (1) zu verdichten, das Bindermittel zu aktivieren und den Vorformling (2) kontinuierlichen auszubilden.
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Gemäß einem Aspekt gilt es einen Vorformling aus mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial bereitzustellen. Das Kurzfasermaterial wird z.B. aus sortenreinen Produktionsabfällen gewonnen und kann so in den Produktionskreislauf rückgeführt werden. Der Vorformling ist geometrisch für das Ausfüllen eines unerwünschten Zwischenraums ausgelegt. Insbesondere bei der Herstellung von T-Profilen aus Fasermaterial kommt es durch den Herstellungsprozess durch das Fügen zweier L-Profile bei dem Kreuzpunkt entlang deren Längsachse zu einer länglichen Nut, dem sogenannten Zwickel, welche durch eine Ausführungsform des Vorformlings ausgefüllt werden kann. Hierbei kann der Vorformling entweder eingelegt werden oder in der Nut selbst ausgebildet werden. Der Vorformling bildet dann sozusagen einen Zwickelfüller.
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Es zeigen:
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1a eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem ersten Verfahrensschritt,
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1b eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Verfahrensschritt,
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2 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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4 eine weitere schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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5 eine weitere schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Gemäß der 1a und 1b weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings 2 aus einem mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial 1 eine Ultraschalleinheit 3 mit einer Sonotrode 4, sowie ein Gegenelement 5 mit einer daran ausgebildeten Negativform 6 auf. Das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 ist axial zwischen der Sonotrode 4 und dem Gegenelement 5 in der Negativform 6 am Gegenelement 5 angeordnet. Die Ultraschalleinheit 3 ist vereinfacht nur teilweise dargestellt.
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Nach 1a ist die Sonotrode 4 axial von dem Gegenelement 5 beabstandet. Mithin befindet sich das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 in einem unverdichteten Ausgangszustand. Gemäß 1b liegt die Sonotrode 4 im Wesentlichen axial am Gegenelement 5 an. Das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 ist in der Negativform 6 verdichtet und wird durch Ultraschallenergie aus der Sonotrode 4 der Ultraschalleinheit 3 stabilisiert, wodurch der Vorformling 2 ausgebildet wird. Die Geometrie des Vorformlings 2 wird von der Geometrie der Negativform 6 bestimmt.
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Nach 2 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings 2 aus einem mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial 1 eine Ultraschalleinheit 3 mit einer Sonotrode 4, sowie ein Gegenelement 5 auf. Das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 ist axial zwischen der Sonotrode 4 und dem Gegenelement 5 angeordnet. Ferner weist die Sonotrode 4 eine daran ausgebildete Negativform 6 auf, in welcher der Vorformling 2 ausgebildet wird.
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Gemäß 3 ist sowohl an der Sonotrode 4, als auch am Gegenelement 5 eine jeweilige Negativform 6, 6a ausgebildet, die zur Aufnahme des mit Bindermittel versehenen Kurzfasermaterials 1 und Ausbildung des Vorformlings 2 vorgesehen ist.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur diskontinuierlichen Herstellung eines Vorformlings 2 aus einem mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterial 1 auf. Das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 ist in einer länglichen Negativform 6 am Gegenelement 5 angeordnet. Zur diskontinuierlichen Herstellung des Vorformlings 2 wird das Verdichten des mit Bindermittel versehenem Kurzfasermaterials 1 mittels Sonotrode 4 und das Einleiten der Ultraschallenergie aus der Ultraschalleinheit 3 mittels Sonotrode 4 in das verdichtete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 nacheinander an aneinander angrenzenden Bereichen lokal wiederholt. Somit ist das im Bereich 8a befindliche mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 stabilisiert. Das im Bereich 8b befindliche mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 ist verdichtet und wird mittels Ultraschallenergie stabilisiert. Ferner ist das im Bereich 8c angeordnete mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 in einem Ausgangszustand. Sobald die Stabilisierung des mit Bindermittel versehenen Kurzfasermaterials 1 im Bereich 8b abgeschlossen ist, wird die Sonotrode 4 axial vom Gegenelement 5 beabstandet und parallel zum Gegenelement 5 verfahren, um mit Bindermittel versehenes Kurzfasermaterial 1 im Bereich 8c zu verdichten. Dazu wird die Sonotrode 4 axial in Richtung des Gegenelements 5 verfahren und verdichtet das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1. Mithin wird der Vorformling 2 diskontinuierlich ausgebildet.
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Gemäß 5 wird die Sonotrode 4 im Gegensatz zu 4 zur kontinuierlichen Herstellung des Vorformlings 2 über eine Oberfläche des Gegenelements 5 bewegt. Dabei wird das mit Bindermittel versehene Kurzfasermaterial 1 über eine Schräge 7 an der Sonotrode 4 axial unter die Sonotrode 4 geführt und verdichtet. Ferner wird das Bindermittel unter der Sonotrode 4 durch die Ultraschallenergie aktiviert wodurch der Vorformling 2 kontinuierlichen ausgebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- mit Bindermittel versehenes Kurzfasermaterial
- 2
- Vorformling
- 3
- Ultraschalleinheit
- 4
- Sonotrode
- 5
- Gegenelement
- 6, 6a
- Negativform
- 7
- Schräge
- 8a–8c
- Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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