DE102016116418A1

DE102016116418A1 - Verfahren und Drapiervorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings

Info

Publication number: DE102016116418A1
Application number: DE102016116418.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Fürst; Steffen Märtiens
Original assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Current assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-03-08
Also published as: KR20190045926A; CN109661301A; EP3507069A1; WO2018042006A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings (5) im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen (2) mit einer Drapiervorrichtung (13) umfassend eine Matrize (14), welche die Form des herzustellenden Vorformlings (5) abbildet, und Drapierstempel (15a, 15b, 15c), wobei ein Stapel (11) einer Höhe H von Fasergeweben und/oder Fasergelegen in einer Öffnungsposition der Drapiervorrichtung (13) auf einer Matrize (14) platziert wird und anschließend mittels Drapierstempeln (15a, 15b, 15c) auf die Matrize (14) drapiert und auf eine vorgegebene Enddicke D komprimiert wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass während des Drapierens durch zumindest einen ersten Drapierstempel (15b) zumindest ein zweiter Drapierstempel (15a, 15c) in einer Führungsposition, welche von der Öffnungsposition verschieden ist, in einem Abstand A zur Matrize (14) positioniert und gehalten wird, und dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel (15a, 15c) zumindest teilweise einen Spalt S zum Stapel (11) aufweist, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Höhe H + Spalt S, mit Spalt S ≥ 0; und/oder dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel (15a, 15c) den Stapel (11) zumindest teilweise berührt und um eine Kompression K komprimiert, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Enddicke D + Kompression K, mit Kompression K > 0 und Kompression K ≤ Höhe H – Enddicke D. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Drapiervorrichtung (13) zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, sowie eine Drapiervorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings nach dem Oberbegriff des Anspruch 8.
Im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, auch Faserverbundbauteile genannt, ist insbesondere als industrielle Verwendung das RTM-Verfahren, Resin-Transfer-Moulding-Verfahren, gängige Praxis. Der gesamte Herstellungsprozess bis zu einem verwendungsfähigen Kunststoffbauteil besteht aus mehreren nachfolgend ablaufenden Einzelprozessen. In einem ersten Verfahrensschritt werden endkonturnahe Vorformlinge/Faserhalbzeuge hergestellt, die im Wesentlichen bereits die äußere Form des späteren Kunststoffbauteils aufweisen. In diesem Preform-Prozess (Herstellung eines Vorformlings) werden in der Regel mehrere Lagen Fasergewebe oder Fasergelege, üblicher Weise in zweidimensionaler Form, gestapelt oder ggf. gefügt (Nähen, Verschweißen, Kleben), so dass der Stapel an Fasergeweben und/oder Fasergelegen im Wesentlichen bereits die notwendigen äußeren Konturen und teilweise auch bereits besondere Schichten oder Schichtdicken bzw. lokale Besonderheiten aufweist ( WO 2012/156524 A1 ). Vorzugsweise wird ein Binder in die Trennebenen der Schichten eingebracht, der nach Erreichen einer umgeformten dreidimensionalen Form und seiner Aktivierung und Aushärtung zu einer Fixierung der Schichten zueinander und der entsprechenden 3D Kontur führt ( WO 2012/156523 A1 ). Für den Preform-Prozess werden die Gewebestapel in ein Umformwerkzeug überführt und meist unter (relativ geringem) Druck durch Schließen des Umformwerkzeuges soweit der Kontur des späteren Formteiles angenähert und durch Aktivierung des Binders (Aufheizen und Abkühlen) ausgehärtet, so dass das Faserhalbzeug endkonturnah in ein Werkzeug einer Presse zur Durchführung des RTM-Verfahrens selbst eingelegt werden kann ( WO 2010/103471 A2 ). Je nach Bedarf wird das Faserhalbzeug noch nachgeschnitten oder an vorgegebenen Stellen ausgestanzt, um eine noch präzisere Kontur des Faserhalbzeuges (Vorformlings) gegenüber dem späteren Kunststoffbauteil zu erreichen. Nach dem Einlegen des Faserhalbzeugs in das Werkzeug einer Presse, die vorzugsweise für das RTM-Verfahren geeignet ist, werden die Werkzeughälften geschlossen und das notwendige Harz in die Kavität des Werkzeuges injiziert, wobei das Harz die Faserstruktur des Faserhalbzeuges imprägniert, die Fasern einschließt und fest in die Harzmatrix einbindet. Nach dem Aushärten des Harzes kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil entformt werden.
Neben dem RTM-Verfahren selbst, legt bereits die Herstellung eines Faserhalbzeuges den Grundstein für den Erfolg bei der Herstellung eines Kunststoffbauteiles.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Herstellung eines Vorformlings bekannt, wobei zunächst eine manuelle oder automatisierte Herstellung eines möglichst ebenen Stapels an Fasergeweben und/oder Fasergelegen erfolgt, der anschließend in einer Presse aus seiner 2D-Form in eine 3D-Form überführt wird.
Für die 3D-Umformung von mehrlagigen zweidimensionalen Zuschnitten aus Fasergeweben und/oder Fasergelegen sind auch die folgenden Verfahrensschritte bekannt: Es werden Fasergewebe oder -gelege von einer Rolle abgewickelt und je nach Bedarf aus mehreren verschiedenen Geweben oder Gelegen, Formen und Größen zu einem Stapel zusammengelegt. Dabei kann es notwendig sein, die Außen- und ggf. Innenkontur entsprechend einem Schnittmuster des Vorformlings respektive des Kunststoffformteils zu bearbeiten oder zuzuschneiden. Das Schnittmuster wird dabei aus einer Abwicklung des Vorformlings, oder des Endbauteils erzeugt. Vorzugsweise wird dann der erstellte, im Wesentlichen ebene Stapel bzw. Faserstapel mittels einer Drapiervorrichtung drapiert, respektive in eine dreidimensionale Vorform umgeformt ( WO 2012/062824 A1 , WO 2012/062825 A1 , WO 2012/062828 A1 ).
Weitere Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings sind beispielsweise aus den Dokumenten DE 10 2010 043 663 A1 , DE 10 2010 043 665 A1 und DE 10 2010 043 666 A1 bekannt, wobei ein Faserstapel zwischen einer Drapiervorrichtung und einer Formschale platziert oder dort gebildet wird, anschließend ein Drapierwerkzeug aus der Drapiervorrichtung ausgefahren wird und dabei den Stapel an Fasergeweben und/oder Fasergelegen zumindest teilweise in die Formschale einbringt bis der Stapel mittels dieses Drapierwerkzeuges an die Formschale gedrückt und dort fixiert wird. Anschließend werden in vorgegebener Reihenfolge weitere Drapierwerkzeuge einzeln oder zusammen aus der Drapiervorrichtung in Richtung der Formschale verfahren, um den Faserstapel in die durch die Formschale vorgegebene 3D Form zu drapieren.
Beim Drapieren von Halbzeuglagen aus Glas- oder Kohlenstofffasern in 2D- bzw. 3D-Bauteilkonturen liegt ein großer Fokus auf der kontrollier- und steuerbaren Materialführung während des Umformprozesses. Einen wesentlichen Beitrag hierbei kann ein sequentieller Drapierprozess leisten, wie er beispielsweise in dem Dokument DE 10 2013 109 854 A1 beschrieben ist. Dabei wird das obere Formwerkzeug in einzelne Segmente (Drapierstempel) aufgeteilt und das Schließen des Umformwerkzeugs erfolgt in mehreren Etappen. Der sequentielle Drapierprozess hat den Vorteil, dass ein Fasermaterial von den Randbereichen für die Abformung von Sicken, Vertiefungen, Verprägungen etc. nachfließen kann, so dass eine konturgetreue Umformung des Verstärkungsfasern erreicht werden kann. Die einzelnen Drapierstempel werden hierfür in einer definierten zeitlichen Reihenfolge ausgefahren und schließen mit dem Unterwerkzeug bzw. der Matrize bis auf einen Abstand, der durch die maximal mögliche Kompaktierung der umgeformten Faserlagen bestimmt wird.
Um dieses Nachfließen besser zu unterstützen, wird in dem Dokument DE 10 2013 109 854 A1 weiter vorgeschlagen, die Drapierstempel an ihrer dem Vorformling zugewandten Oberfläche mit jeweils unterschiedlichen Oberflächenrauheiten oder Reibwerten auszubilden, um unterschiedliche Abgleiteigenschaften des Fasermaterials zu erzielen.
Mit diesem Verfahren lassen sich Vorformlinge hoher Qualität herstellen. Allerdings besteht der Nachteil, dass die Bestimmung, welche Oberflächenrauheiten geeignet sind, meist nur über entsprechende Versuchsreihen möglich ist, was erfordert, dass die jeweiligen Drapierstempel häufig bearbeitet oder ausgetauscht werden müssen, bis ein zufriedenstellendes Ergebnis erzielt wird. Dies ist meist mit hohem zeitlichem, personellem und materiellem Aufwand verbunden, und verursacht daher entsprechend hohe Kosten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche auf einfache und kostengünstige Weise die Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen mit hoher Qualität erlaubt.
Als eine Lösung wird ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen mit einer Drapiervorrichtung umfassend eine Matrize, welche die Form des herzustellenden Vorformlings abbildet, und Drapierstempel, wobei ein Stapel einer Höhe H von Fasergeweben und/oder Fasergelegen in einer Öffnungsposition der Drapiervorrichtung auf einer Matrize platziert wird und anschließend mittels Drapierstempeln auf die Matrize drapiert und auf eine vorgegebene Enddicke D komprimiert wird, wobei während des Drapierens durch zumindest einen ersten Drapierstempel zumindest ein zweiter Drapierstempel in einer Führungsposition, welche von der Öffnungsposition verschieden ist, in einem Abstand A zur Matrize positioniert und gehalten wird, und wobei in der Führungsposition der zweite Drapierstempel zumindest teilweise einen Spalt S zum Stapel aufweist, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Höhe H + Spalt S, mit Spalt S ≥ 0; und/oder wobei in der Führungsposition der zweite Drapierstempel den Stapel zumindest teilweise berührt und um eine Kompression K komprimiert, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Enddicke D + Kompression K, mit Kompression K > 0 und Kompression K ≤ Höhe H – Enddicke D.
Als eine weitere Lösung wird eine Drapiervorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Vorformlings angegeben, umfassend eine Mehrzahl von Drapierstempeln und eine Matrize, welche die Form des herzustellenden Vorformlings abbildet, wobei die Drapierstempel so eingerichtet sind, um mit der Matrize so zusammenzuwirken, einen Stapel einer Höhe H von Fasergeweben und/oder Fasergelegen, welcher in einer Öffnungsposition der Drapiervorrichtung auf die Matrize platziert wird, mittels der Drapierstempel auf die Matrize zu drapieren und auf eine vorgegeben Enddicke D zu komprimieren, wobei die Drapierstempel von Aktuatoren betätigt werden, und wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche die Aktuatoren zur Betätigung der Drapierstempel ansteuert. Die Steuereinrichtung ist so eingerichtet, die Ansteuerung der Aktuatoren zur Betätigung der Drapierstempel so vorzunehmen, dass während des Drapierens durch zumindest einen ersten Drapierstempel zumindest ein zweiter Drapierstempel in einer Führungsposition, welche von der Öffnungsposition verschieden ist, in einem Abstand A zur Matrize positioniert und gehalten wird, und dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel zumindest teilweise einen Spalt S zum Stapel aufweist, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Höhe H + Spalt S, mit Spalt S ≥ 0; und/oder dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel den Stapel zumindest teilweise berührt und um eine Kompression K komprimiert, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Enddicke D + Kompression K, mit Kompression K > 0 und Kompression K ≤ Höhe H – Enddicke D.
Mit dem angegebenen Verfahren und der angegebenen Drapiervorrichtung ist es möglich, einen sequentiellen Drapierprozess zu verwirklichen, bei dem das obere Formwerkzeug in einzelne Segmente bzw. Drapierstempel aufgeteilt ist und das Schließen des Umformwerkzeugs in mehreren Etappen, wie etwa vom Bauteilinneren hin zum Bauteilrand, erfolgt. Das Einnehmen einer Führungsposition durch einen Drapierstempel hat dabei die Wirkung, dass der Drapierstempel als eine Art Führung fungiert, so dass Falten oder Überwerfungen vermieden werden können. Gleichzeitig ist es damit möglich, direkt über einzelne Drapierstempel gezielt eine Kompression bzw. Kompressionskräfte oder Niederhaltekräfte einzubringen, und so einen direkten Einfluss auf das Nachfließverhalten des Fasermaterials des Stapels zu nehmen, was ein kontrolliertes Nachfließen an Fasermaterial von den Randbereichen für die Abformung von beispielsweise Sicken, Vertiefungen, Verprägungen, oder anderer vordergründig komplexer Konturen wie doppeltgekrümmte Radien, Kofferecken und ähnliches ermöglicht wird so dass eine konturgetreue Umformung erreicht werden kann und durch die Umformung induzierte Materialüberwerfungen vermieden oder zumindest reduziert werden.
Der Abstand A wird stets als der Abstand zwischen einem Drapierstempel und der Matrize der Drapiervorrichtung gesehen. Er kann somit auch als Drapierwerkzeugabstand verstanden werden, wobei Matrize und Drapierstempel die Drapierwerkzeuge bilden. Die Höhe H bezeichnet die Höhe des Stapels an Fasergeweben und/oder Fasergelegen, welcher in der Drapiervorrichtung zu einem Vorformling verarbeitet wird. Der Stapel kann je nach Ausführung unterschiedliche Höhen H aufweisen, abhängig von der Anzahl an einzelnen Lagen oder lokalen Verstärkungen in einzelnen Bereichen. In der Drapiervorrichtung selbst kann sich zwischen dem Stapel und den Drapierstempeln weiterhin ein Spalt S ausbilden. Unter der Ausbildung eines Spaltes S fällt jedoch nicht Fall, dass die Drapiervorrichtung sich in einer Öffnungsposition zum Einlegen des Stapels befindet. Auch eine Vorschließposition, welche vor dem eigentlichen Drapierprozess von den einzelnen Drapierstempeln eingenommen werden kann, fällt nicht unter die Bedeutung des Spaltes S, welcher sich erst während des Drapierprozess ausbildet. Berührt ein Drapierstempel den Stapel und übt einen Druck auf diesen aus, so wird der Stapel um eine Kompression K komprimiert bzw. verdichtet. Die Kompression K hängt dabei von den auf den Stapel ausgeübten Kraft ab. Der Stapel kann jedoch nur auf eine Enddicke D, welcher auch der Enddicke D des Vorformlings entspricht, komprimiert werden. Somit ergibt sich daraus, dass die Kompression K sich nur in einem Dickenbereich bewegen kann, welcher zwischen der Enddicke D und der Höhe H des Stapels ausgebildet ist. Dadurch dass der Stapel mit unterschiedlichen Höhen ausgebildet sein kann, können sich auch während des Drapierprozess unterschiedliche Spalte S und/oder unterschiedliche Kompressionen K ausbilden. Beispielsweise wäre es auch möglich, dass der Stapel zu einem Drapierstempel einen Spalt S aufweist, wohingegen zu einem anderen, oder, falls im Wirkbereich des vorgenannten Drapierstempel der Stapel bereits einen andere Höhe H aufweist, zu dem gleichen Stempel, bereits eine Kompression K auf den Stapel einwirkt. In der Führungsposition kann der Drapierstempel auch die Funktion des Glättens des Stapels einnehmen, falls dieser sich beispielsweise beim Einlegen des Stapels in der Öffnungsposition der Drapiervorrichtung aufgewölbt hat. Aber auch bei unterschiedlichen Höhen H innerhalb des Stapels können Bereiche mit einer größeren Höhe H in der Führungsposition zunächst einmal geglättet und eventuell auch leicht komprimiert werden.
Als Öffnungsposition ist jene Stellung von Matrize und Drapierstempel der Drapiervorrichtung zu verstehen, in welcher der Stapel in die Drapiervorrichtung auf die Matrize abgelegt und positioniert wird.
Der Abstand A von Matrize und Drapierstempeln kann so bemessen sein, dass in der Führungsposition der Spalt S weniger als 1 mm, weniger als 0,8 mm, weniger als 0,6 mm, weniger als 0,4 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,2 mm beträgt. Indem auf diese Weise ein kleiner Spalt zwischen dem zumindest einen zweiten Drapierstempel und dem Stapel, bzw. der obersten Lage an Fasergewebe und/oder Fasergelege des Stapels ausgebildet wird, kann der zweite Drapierstempel als eine Führung dienen, die Materialüberwerfungen im Bereich des zweiten Drapierstempels verhindert, wenn der zumindest eine erste Drapierstempel geschlossen wird und den Stapel in diesem Bereich umformt und es auf Grund dessen zum Nachließen von Fasermaterial im Bereich des zweiten Drapierstempels kommt. Gleichzeitig übt der zweite Drapierstempel, auf Grund des ausgebildeten kleinen Spalts, keine auf den Stapel drückende Kraft aus, so dass das Fasermaterial frei und ungehindert nachfließen kann.
Alternativ und bevorzugt kann der Abstand A so bemessen sein, dass in der Führungsposition der zumindest eine zweite Drapierstempel den Stapel teilweise komprimiert und die Kompression K weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30% und besonders bevorzugt weniger als 15% der Differenz von Höhe H und Enddicke D des Stapels beträgt.
Vorzugsweise kann in der Führungsposition der zweite Drapierstempel insbesondere eine Kompression K bzw. Niederhaltekraft auf den Stapel ausüben, die einem Druck von weniger als 5 × 10⁴ Pa, bevorzugt weniger als 2 × 10⁴ Pa, besonders bevorzugt weniger als 1 × 10⁴ Pa entspricht. Indem auf diese Weise mittels des zweiten Drapierstempels eine vorgebbare, insbesondere variierbare und einstellbare Kompression bzw. Niederhaltekraft eingebracht wird, ist es möglich, einen direkten Einfluss auf das Nachfließverhalten des Fasermaterials des Stapels zu nehmen und dieses gewünscht zu beeinflussen. Vorteilshaft dabei ist weiter, dass dabei auch eine geringe Kompression bzw. kleine Niederhaltekräfte möglich sind, so dass das Nachfließen des Fasermaterials nicht zu stark behindert oder unmöglich gemacht wird und/oder das Umformen mittels des ersten Drapierstempels nicht negativ beeinträchtigt wird.
Es kann zusätzlich auch vorgesehen, dass der zweite Drapierstempel zuerst zumindest Teile des Stapels an Fasergeweben und/oder Fasergelegen an die Form der Matrize drapiert, und anschließend wieder angehoben und in die Führungsposition gebracht wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich zumindest ein Teil des Stapels bzw. der in diesem Stapel enthaltenen Lagen aus Fasergeweben und/oder Fasergelegen an die Matrize anschmiegen bzw. teilweise und konturähnlich an dieser ausbilden.
Es kann vorgesehen sein, dass nach dem Drapieren des Stapels an Fasergeweben und/oder Fasergelegen alle Drapierstempel wieder angehoben werden und der Vorformling entnommen wird
Weiter kann es auch vorgesehen sein, dass mehrere erste Drapierstempel und/oder mehrere zweite Drapierstempel vorgesehen sind, die jeweils einzeln oder auch in Gruppen gemeinsam verstellt werden können. Es kann so ein mehrstufiges sequentielles Drapieren verwirklicht werden, das vorteilshaft beispielsweise dann eingesetzt werden kann, wenn ein Vorformling mit einer größeren Anzahl von beispielsweise räumlich getrennten komplexen Konturen hergestellt werden soll.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass einzelne oder alle der Drapierstempel mittels einer Positionssteuerung und/oder Positionsregelung, und/oder mittels einer Drucksteuerung und/oder Druckregelung arbeiten.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung der Drapiervorrichtung so eingerichtet, die Ansteuerung der Aktuatoren zur Betätigung der Drapierstempel weiter so vorzunehmen, dass der zweite Drapierstempel zuerst zumindest Teile des Stapels drapiert und anschließend wieder angehoben und in die Führungsposition gebracht wird, und/oder nach dem Drapieren des Stapels mittels aller Drapierstempel die Drapierstempel wieder angehoben werden, so dass der Vorformling entnommen werden kann.
Alternativ oder in Kombination ist die Steuereinrichtung der Drapiervorrichtung so eingerichtet, dass für zumindest einen der Drapierstempel unter entsprechender Ansteuerung des zugeordneten Aktuators die Position des zumindest einen Drapierstempels zu steuern und/oder zu regeln ist, und/oder einen Druck, der von dem zumindest einen Drapierstempel auf den Stapel ausgeübt wird, zu steuern und/oder zu regeln ist.
Weiter kann es vorgesehen sein, dass der erste Drapierstempel ein Drapierstempel einer Gruppe erster Drapierstempel ist, wobei die Drapierstempel der Gruppe erster Drapierstempel einzeln und/oder gemeinsam betreibbar sind, und/oder der zweite Drapierstempel ein Drapierstempel einer Gruppe zweiter Drapierstempel ist, wobei die Drapierstempel der Gruppe zweiter Drapierstempel einzeln und/oder gemeinsam betreibbar sind.
Die Drapiervorrichtung wie vorstehend ausgeführt kann bevorzugt zur Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings wie vorstehend beschrieben ausgebildet sein.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit den Zeichnungen hervor.
Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung einer Industrieanlage zur Herstellung von faserverstärkten Formteilen mit einer vorherigen Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen nach dem Stand der Technik;
2a bis 2c Schritte eines beispielhaften Verfahrens nach dem Stand der Technik; und
3a bis 3d Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4a bis 4d Schritte eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert eine Industrieanlage 1 zu erkennen, welche letztlich zur Herstellung eines faserverstärkten Formteils 2 mittels eines RTM-Verfahrens in einer Presse 4 mit einem oberen und unteren Werkzeug 3 dient. Das faserverstärkte Formteil 2 wird dabei aus einem dreidimensional endkonturnah vorgeformten Vorformling 5 hergestellt, welcher zuvor in einigen schematisch dargestellten Schritten erzeugt worden ist. Als Ausgangsbasis für den Vorformling 5 dient ein Fasermaterial, beispielsweise in Form einer Lage aus Fasergewebe, Fasergelege oder dergleichen. Dieses Fasermaterial kann beispielsweise als Rollenware über eine angedeutete Rolle 6 zur Verfügung gestellt werden. In einer Schneidvorrichtung 7 wird dann mittels einer Schneideinrichtung 8 aus der Rollenware eine einzelne Lage aus Fasergewebe oder Fasergelege beziehungsweise eine Fasermatte, welche hier so explizit nicht dargestellt ist, zugeschnitten. Anschließend wird diese Lage aus Fasergewebe oder Fasergelege über eine geeignete Transportvorrichtung, welche in der Darstellung der 1 lediglich durch gebogene Pfeile angedeutet ist, einer angedeuteten Binderauftragseinrichtung 9 zugeführt, in welcher Binder auf die Lage aus Fasergewebe oder Fasergelege aufgetragen wird. Der Binder-Auftrag kann beispielsweise durch Besprühen, Aufwalzen, Tauchen oder dergleichen erfolgen. Alternativ zu diesem Vorgehen mit der Binderauftragseinrichtung 9 zum Auftragen von Binder wäre es auch möglich, das Fasermaterial mit einem entsprechenden Bindemittel vorzuimprägnieren, sodass dieser Schritt entfallen kann. Dies ist dem Fachmann jedoch aus dem allgemeinen Stand der Technik geläufig, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.
Nach dem Auftrag des Binders, oder falls dieser Schritt entfällt und der Binder bereits in dem Fasermaterial vorhanden ist, gelangt die Lage aus Fasergewebe oder Fasergelege anschließend zu einer Stapeleinrichtung 10, in welcher die einzelnen Lagen aus Fasergewebe oder Fasergelege zu einem hier angedeuteten Stapel 11 aufgestapelt werden. Dabei kann auch ein Verklammern, Vernähen oder sonstiges Verbinden der einzelnen Lagen an Stellen, an denen dies aus konstruktiven Gründen sinnvoll und notwendig ist, vorgesehen sein. Die Lagen aus Fasergewebe oder Fasergelege haben nach dem Schneidvorgang in der Schneidvorrichtung 7 typischerweise eine endkonturnahe Form. Dennoch kann auch nach dem Stapeln der Lagen aus Fasergewebe oder Fasergelege zu dem Stapel 11 in der Stapeleinrichtung 10 ein weiteres Beschneiden, Ausstanzen von Öffnungen oder Ähnliches erfolgen, sofern gewünscht oder erforderlich. Neben Lagen aus Fasergewebe können auch Lagen aus Fasergelege oder Kombinationen von verschiedenen Lagen aus Fasergewebe und/oder Fasergelege zu einem Stapel 11 zusammengeführt werden.
Nachdem der Stapel 11 so vorbereitet ist, gelangt er in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in eine Heizeinrichtung 12, in der der Stapel 11, wie hier angedeutet, über ein Transportmittel durch einen Ofen, eine Strecke mit infraroter Bestrahlung oder dergleichen geführt wird. Der Stapel 11 wird so vorgewärmt und der typischerweise thermisch aktivierbare Binder wird aktiviert beziehungsweise soweit verflüssigt, dass der Stapel 11 zwar noch eine hohe Flexibilität aufweist, aber die in dem Stapel 11 verarbeiteten Lagen an Fasergewebe und/oder Fasergelege jedoch beim Abkühlen aneinander haften.
Die Kernfunktionalität bei der Herstellung des dreidimensional vorgeformten Vorformlings 5 kommt nun der im nächsten Schritt dargestellten Drapiervorrichtung 13 zu. Die Drapiervorrichtung 13 weist dabei eine Matrize 14 auf, welche auf einer Aufnahme 17, beispielsweise einem Aufnahmetisch, angeordnet ist und die spätere Form des dreidimensional vorgeformten Vorformlings 5 abbildet. Über Drapierstempel 15a, 15b, 15c zur Drapierung und/oder Fixierung, welche mittels Aktuatoren 19, welche sich wiederum gegen eine Abstützung 18 abstützen bzw. von dieser gehalten werden, in einem Abstand zur Matrize 14 positioniert werden können, wird der Stapel 11 nun in die Form der Matrize 14 eingedrückt und kühlt typischerweise durch das metallische Material der Matrize 14, welches sehr gut wärmeleitend ist und Wärme aus dem Stapel 11 abführt, aus. Hierdurch härtet der Binder aus und es entsteht der dreidimensional vorgeformte Vorformling 5, welcher in seiner Formgebung bereits endkonturnah geformt ist und der Form der Matrize 14 und der Drapierstempel 15a, 15b, 15c folgt. Dabei können Drapierstempel 15a, 15b, 15c eingesetzt werden, welche das Fasermaterial festhalten, und/oder es werden insbesondere Stempel als Drapierstempel 15a, 15b, 15c eingesetzt, welche zum Bewegen des Fasermaterials beispielsweise in die Vertiefungen der Matrize 14 dienen. Wie im Stand der Technik bekannt, weisen die Drapierstempel 15a, 15b, 15c Aktuatoren 19 auf, die geeignet sind, die Drapierstempel 15a, 15b, 15c in Richtung zu oder von der Matrize 14 weg zu bewegen. Je nach Ausrichtung der Aktuatoren 19 und der Drapiergeometrie ergibt sich damit während des Drapierens auch eine entsprechende Bewegungskomponente des Stapels 11 in oder parallel zur Oberfläche der Matrize 14.
Der Vorformling 5 ist dabei durch den ausgehärteten Binder soweit formstabil, dass dieser, ohne seine Form zu verlieren, zumindest weitertransportiert und gegebenenfalls zwischengelagert werden kann. Er hat jedoch noch nicht seine endgültige Form und Härte erreicht, diese wird erst im nachfolgenden RTM-Prozess erzielt. Der so in der Drapiervorrichtung 13 vorgeformte und idealerweise in ihr verklebte und ausgehärtete Stapel 11 bildet dann den Vorformling 5, welcher, wie oben bereits beschrieben, der Presse 4 für das RTM-Verfahren zugeführt werden kann.
Nun ist es so, dass insbesondere den Drapierstempeln 15a, 15b, 15c zum Einziehen des Stapels 11 von Lagen aus Fasergewebe und/oder Fasergelege eine besondere Bedeutung zukommt, da ein sehr gleichmäßiges Einziehen beziehungsweise Eindrücken des Stapels 11 in die Vertiefungen der Matrize 14 erfolgen muss. Nur so können Falten oder unnötige Spannungen in dem Material des Stapels 11 vermieden werden. Dies ist jedoch eine grundlegende Voraussetzung für eine gute Qualität des im RTM-Verfahrens hergestellten Formteils 2 und damit verbunden eine gute Qualität bei den so hergestellten faserverstärkten Formteilen 2.
Hierbei kann es abhängig von der umzuformenden Bauteilgeometrie im Herstellprozess insbesondere von Vorteil sein, eine Kompression K bzw. Niederhaltekräfte, wie sie etwa auch in der Blechumformung bekannt sind, direkt über einzelne Drapierstempel 15a, 15b, 15c einzubringen. Auf diese Weise können Materialüberwerfungen, wie sie durch die Umformung vordergründig komplexer Konturen, wie beispielsweise doppeltgekrümmte Radien, Kofferecken oder ähnliches, induziert werden, effektiv verhindert oder vermindert werden.
Dies soll mit Bezug auf die 2a bis 2c an Hand eines illustrativen Beispiels näher verdeutlicht werden.
Die 2a zeigt dabei eine Drapiervorrichtung 13 mit drei Drapierstempeln 15a, 15b und 15c. Die 2a zeigt weiter eine Matrize 14, die beispielsweise auf einem Aufnahmetisch angeordnet ist, und die mit einer Ausnehmung 16 ausgebildet ist, so dass die Matrize 14 eine Wannengeometrie aufweist. In der 2a ist der erste Prozessschritt des Umformens dargestellt, wobei ein Stapel 11 aus mehreren Lagen von Fasergeweben und/oder Fasergelegen ausgebildet und in einer Öffnungsposition der Drapiervorrichtung 13 auf der Matrize 14 positioniert wird.
In einem nächsten Prozessschritt, der in 2b gezeigt ist, werden die Drapierstempel 15a, 15c, die am Rand bzw. seitlich versetzt der Ausnehmung 16 angeordnet sind, auf einen Abstand A gefahren, welcher in diesem Falle der Enddicke D des Stapels 11 bzw. des daraus resultierenden Vorformlings 5 entspricht, wobei die Faserlagen des Stapels 11 in diesem Bereich an die Matrize 14 angeformt werden. Die Drapierstempel 15a, 15c üben dabei jeweils einen entsprechenden Druck bzw. eine entsprechende Kraft auf den Stapel 11 aus, welche den Stapel 11 an den entsprechenden Stellen an die Matrize 14 pressen und diesen so niederhalten.
In einem wiederum nächsten Prozessschritt, der in 2c gezeigt ist, schließt nun der Drapierstempel 15b, um so den Stapel 11 an die von der Matrize 14 gegebene Geometrie anzuformen.
Hierbei kann es jedoch zu dem Problem kommen, dass die von den Drapierstempeln 15a, 15c aufgebauten Niederhaltekräfte so groß werden, dass der Drapierstempel 15b die vorgesehene Endposition nicht erreichen kann, mit der Folge, dass der Stapel 11 nicht konturgetreu in die Ausnehmung 16 drapiert werden kann, so dass, wie in der 2c gezeigt, die Ausnehmung 16 nicht vollständig von dem Stapel 11 und dem Drapierstempel 15b ausgefüllt wird. Ein so erhaltener, nicht konturgetreu abgeformter Vorformling 5 wird üblicher Weise für eine Weiterverarbeitung nicht geeignet sein, oder kann sogar zu einer Beschädigung von gegebenenfalls vorgesehenen Harzinfiltrationswerkzeugen führen.
Um diese Problematik zu vermeiden, wird ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, das nachfolgend mit Bezug auf die 3a bis 3d beschrieben wird.
Zunächst wird, wie in 3a dargestellt, ein Stapel 11 einer Höhe H aus mehreren Lagen von Fasergeweben und/oder Fasergelegen ausgebildet und auf der Matrize 14 einer Drapiervorrichtung 13 in einer Öffnungsposition der Drapiervorrichtung 13 positioniert.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden, wie in 3b dargestellt, die Drapierstempel 15a und 15c, auch als zweite Drapierstempel 15a, 15c bezeichnet, ausgefahren. Im Unterschied zur 2b erfolgt hierbei das Ausfahren jedoch nicht komplett, sondern die Drapierstempel 15a und 15c werden in eine Führungsposition, welche von der Öffnungsposition verschieden ist, auf die Matrize 14 zubewegt, so dass sich ein Abstand A ergibt, welcher sich aus der Höhe H des Stapels 11 und einem Spalt S, welcher sich zwischen dem Stapel 11 und dem Drapierstempel 15a, 15c ausbildet, ergibt.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiels kann der Abstand A so bestimmt und vorgegeben werden, dass sich in der in 3b gezeigten Führungsposition der Drapierstempel 15a und 15c zwischen den Drapierstempeln 15a und 15c und dem unkomprimierten Stapel 11 der Höhe H ein Spalt S ausbildet. Das Ausbilden eines Spaltes S zum Stapel 11 kann insbesondere in Fällen vorteilhaft sein, wo es gewünscht ist, dass das Material der Fasergewebe und/oder Fasergelege des Stapels 11 bei einem nachfolgenden Drapieren mittels des Drapierstempels 15b ungehindert und ohne Spannung fließen soll, so zum Beispiel in dem Fall, dass große Umformungen erfolgen sollen und somit ein starkes Nachfließen von Fasermaterial des Stapels 11 erforderlich ist, es aber gleichzeitig gewünscht ist, dass die Drapierstempel 15a und 15c eine Art Führung bilden, die verhindern soll, dass es zu Faltenbildungen, Überwürfen oder ähnliches des Fasermaterials kommt. Es ist daher bevorzugt, dass in diesem Fall der Spalt S zwischen dem unkomprimierten Stapel 11 der Höhe H und den Drapierstempeln 15a, 15c weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1,5 mm, weniger als 1,0 mm, weniger als 0,7 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,4 mm beträgt.
In einem dritten Verfahrensschritt, der in 3c dargestellt ist, schließt sich nun der Drapierstempel 15b und komprimiert den Stapel 11 in dem lokalen Bereich, in welchem der Drapierstempel 15b wirkt, auf eine Enddicke D. Aufgrund der von den Drapierstempeln 15a und 15c nicht ausgeübten Niederhaltekräften bzw. des Spaltes S zum Stapel 11 kann der Drapierstempel 15b hier nun komplett ausfahren werden, da das Fasermaterial des Stapels 11 ungehindert nachfließen kann, und damit die Bauteilkontur exakt abformen.
In einem vierten Verfahrensschritt, der in 3d dargestellt ist, werden nun auch die zuvor in der Führungsposition verbrachten Drapierstempel 15a und 15c vollständig ausgefahren und auf einen Abstand A zwischen Matrize 14 und Drapierstempel 15a, 15c gefahren, welcher der Enddicke D entspricht, so dass der Stapel 11 in die gewünschte endkonturnahe Form mit der entsprechenden Enddicke D gebracht wird.
Anschließend können in einem weiteren Verfahrensschritt (nicht dargestellt) die Drapierstempel 15a, 15b und 15c wieder eingefahren werden, und der Vorformling 5, in der Form des mittels des ersten bis vierten Verfahrensschritts umgeformten Stapel 11 mit seiner Enddicke D, kann entnommen werden. Der Vorformling 5 liegt nun als ein exakt abgeformter Vorformling 5 bzw. Preform für die Weiterverarbeitung in nachfolgenden Prozessschritten vor, wie beispielsweise dem mit Bezug auf 1 erläuterten RTM-Verfahren.
Es wird verstanden werden, dass der optimale Abstand A bzw. optimale Spalt S von dem gewünschten Einsatzzweck abhängen mag, insbesondere von dem verwendeten Material der Fasergewebe und/oder Fasergelege des Stapels 11, der Anzahl, Größe und Form der Lagen in dem Stapel 11 und/oder der Anzahl, Art und/oder dem Ausmaß der vorzunehmenden Umformungen.
Weiterhin kann es möglich sein, dass durch lokale Verstärkungen des Stapels 11 dieser über seine Form hinweg lokal unterschiedliche Höhen H besitzt. Es kann daher vorkommen, dass in der Führungsposition teilweise unterschiedliche Spalte S zwischen dem Stapel 11 und den Drapierstempeln 15a, 15c ausbildet werden.
Die Drapierstempel 15a, 15b, 15c können dabei mittels Aktuatoren 19 betätigt und bewegt werden, die wiederum von einer Steuereinrichtung angesteuert werden. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Bewegung der Drapierstempel 15a, 15b, 15c unter einer Steuerung oder einer Regelung der Position der Drapierstempel 15a, 15b, 15c erfolgt. In diesem Fall können der Abstand A bzw. der Spalt S direkt vorgegeben werden, und die Steuereinrichtung steuert die Aktuatoren 19 so an, dass die Drapierstempel 15a, 15b, 15c die auf diese Weise jeweils vorgegebenen Positionen direkt anfahren.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Aktuatoren 19 beispielsweise als Hydraulikzylinder ausgeführt sind, welche mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden können. So kann die Steuereinrichtung beispielsweise veranlassen, dass ein Aktuator 19 für den Drapierstempel 15a oder 15c mit einem ersten Druck beaufschlagt wird, um den Drapierstempel 15a oder 15c in die Führungsposition zu bewegen und einen Spalt S auszubilden, und kann weiter veranlassen, dass der Aktuator 19 für den Drapierstempel 15a oder 15c mit einem zweiten, höheren Druck beaufschlagt wird, der den Drapierstempel 15a oder 15c in eine Endposition bewegt, in welcher der Stapel 11 an die Kontur der Matrize 14 auf seine Enddicke D drapiert wird. Der Abstand A bzw. der Spalt S werden dabei nicht direkt vorgegeben bzw. dienen nicht als Stellgrößen für die Ansteuerung der Aktuatoren 19, sondern ergeben sich indirekt.
Während mit Bezug auf 3a bis 3d ein bevorzugtes Verfahren gemäß der Erfindung beschrieben wurde, ist dies nicht beschränkend, und es sind viele verschiedene Variationen und Abwandlungen denkbar.
So ist es beispielsweise denkbar, dass in dem in 3b dargestellten Prozessschritt die Drapierstempel 15a, 15c zunächst vollständig bis zu einem Abstand A, welcher der Enddicke D des Stapels 11 entspricht, geschlossen werden, das heißt, in eine Stellung entsprechend der 2b gebracht werden, damit sich der Stapel 11 an die Matrize 14 anschmiegen kann oder zumindest konturähnlich zur Matrize 14 ausgebildet wird, und die Drapierstempel 15a, 15c wieder öffnen bis zu einer Führungsposition entsprechend einem Abstand A = Höhe H + Spalt S, wie in 3b dargestellt, um das Nachgleiten während des Drapierprozess mit dem Drapierstempel 15b (vgl. 3c) zu ermöglichen.
Weiter ist es auch denkbar, von dem in den 3a bis 3d dargestellten rein sequentiellen Drapierprozess abzuweichen, und den Drapierstempel 15b, als ersten Drapierstempel 15b, zeitlich teilweise überlappend mit den Drapierstempeln 15a, 15c, als zweite Drapierstempel 15a, 15c zu bewegen. Beispielsweise können die Drapierstempel 15a und 15c in die Führungsposition wie in 3b gezeigt gefahren werden, während gleichzeitig der Drapierstempel 15b teilweise geschlossen wird, wie etwa ebenfalls in die Führungsposition. Die Drapierstempel 15a und 15c werden dann in der Führungsposition gehalten, während der Drapierstempel 15b weiter geschlossen wird bis zu einem Abstand A = Enddicke D, wie in 3c dargestellt. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass eine Taktzeit für den Drapierprozess gesenkt werden kann.
Umgekehrt ist es auch denkbar, die Drapierstempel 15a und 15c nicht gleichzeitig, sondern nacheinander oder teilweise gleichzeitig, teilweise nacheinander in die Führungsposition zu bewegen. Es besteht auch die Möglichkeit, für unterschiedliche Drapierstempel 15a, 15c unterschiedliche Abstände A und/oder unterschiedliche Spalte S vorzugeben. Auch ist es denkbar, diese Größen zeitlich variabel zu gestalten, so dass beispielsweise ein gewünschtes zeitlich veränderliches Profil des Spaltes S vorgegeben werden kann, um den Prozess weiter zu optimieren.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird in Bezug auf die 4a bis 4d im Folgenden näher erläutert.
Zunächst wird, wie in 4a dargestellt, und identisch zu 3a, ein Stapel 11 einer Höhe H aus mehreren Lagen von Fasergeweben und/oder Fasergelegen ausgebildet und auf der Matrize 14 einer Drapiervorrichtung 13 in einer Öffnungsposition der Drapiervorrichtung 13 positioniert.
In einem nächsten Verfahrensschritt, welcher nun von der Ausführungsform der 3b abweicht, werden, wie in 4b dargestellt, die Drapierstempel 15a und 15c, auch als zweite Drapierstempel 15a, 15c bezeichnet, in eine Führungsposition ausgefahren. In diesem Falle erfolgt das Ausfahren der Drapierstempel 15a, 15c in die Führungsposition auch bis auf den Stapel 11 an Fasergeweben und/oder Fasergelegen, jedoch wird in dem vorliegenden Falle im Unterschied zu 2b der Stapel 11 nicht auf seine Enddicke D, sondern auf einen Abstand A von Matrize 14 und Drapierstempeln 15a, 15c, welcher von der Enddicke D um eine Kompression K abweicht, wobei der Abstand A jedoch maximal gleich der Höhe H des Stapels 11 sein kann, bei welchem die Drapierstempel 15a, 15c den Stapel 11 gerade noch berühren bzw. nicht mehr berühren.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiels kann der Abstand A so bestimmt und vorgegeben werden, dass sich in der in 4b gezeigten Führungsposition der Drapierstempel 15a und 15c zwischen den Drapierstempeln 15a und 15c und dem Stapel 11 ein Abstand A ausbildet, welcher sich aus der Enddicke D und der Kompression K zusammensetzt.
Im diesem Fall kann der Abstand A von Matrize 14 und Drapierstempeln 15a, 15c so bestimmt und vorgegeben werden, dass in der Führungsposition die Drapierstempel 15a und 15c auf dem Stapel 11 anliegen und diesen teilweise komprimieren, so dass sich eine entsprechende Kompression bzw. Niederhaltekraft einstellt. Mit anderen Worten kann je nach Wahl der Kompression K eine entsprechend reduzierte Niederhaltekraft vorgegeben werden, wobei die Kompression K bei Erreichen der Enddicke D des Stapels 11 maximal ist und mit einer geringer werdenden Kompression K eine reduzierte Niederhaltekraft auf den Stapel 11 ausübt bis hin zu einer Kompression von Null, wenn der Abstand A so bemessen ist, dass die Drapierstempel 15a, 15c den Stapel 11 gerade noch oder nicht mehr berühren und der Stapel 11 mit einer Höhe H ausgebildet bleibt.
In einem dritten Verfahrensschritt, der in 4c dargestellt ist, schließt sich nun der Drapierstempel 15b und komprimiert den Stapel 11 in dem lokalen Bereich, in welchem der Drapierstempel 15b wirkt, auf seine Enddicke D. Aufgrund der von den Drapierstempeln 15a und 15c ausgeübten Kompression K bzw. der nun geringen Niederhaltekräfte kann der Drapierstempel 15b hier nun komplett ausfahren werden, da das Fasermaterial des Stapels 11 geführt und entsprechend der Kompression K gezielt nachfließen kann, und damit die Bauteilkontur exakt abformen.
In einem vierten Verfahrensschritt, der in 4d dargestellt ist, werden nun auch die zuvor in der Führungsposition verbrachten Drapierstempel 15a und 15c vollständig ausgefahren und auf einen Abstand A zwischen Matrize 14 und Drapierstempel 15a, 15c gefahren, welcher der Enddicke D entspricht, so dass der Stapel 11 in die gewünschte endkonturnahe Form mit der entsprechenden Enddicke D gebracht wird.
Anschließend können in einem weiteren Verfahrensschritt (nicht dargestellt) die Drapierstempel 15a, 15b und 15c wieder eingefahren werden, und der Vorformling 5, in der Form des mittels des ersten bis vierten Verfahrensschritts umgeformten Stapel 11 mit seiner Enddicke D, kann entnommen werden. Der Vorformling 5 liegt nun als ein exakt abgeformter Vorformling 5 bzw. Preform für die Weiterverarbeitung in nachfolgenden Prozessschritten vor, wie beispielsweise dem mit Bezug auf 1 erläuterten RTM-Verfahren.
Es kann daher vorkommen, dass in der Führungsposition teilweise eine unterschiedliche Kompression K auf den Stapel 11 von den Drapierstempeln 15a, 15c ausgeübt wird. Unabhängig davon hat sich bei der praktischen Erprobung gezeigt, dass in vielen Fällen eine Kompression K bzw. Niederhaltekraft, die einem Druck von weniger als 5 × 10⁴ Pa, bevorzugt weniger als 2 × 10⁴ Pa, besonders bevorzugt weniger als 1 × 10⁴ Pa entspricht, zu guten Ergebnissen führt. In diesem Fall wird von dem oder den zweiten Drapierstempeln 15a, 15c, die in der Führungsposition zum Niederhalten bzw. zur Komprimierung dienen, eine hinreichend große Niederhaltekraft auf die Lagen von Fasergeweben und/oder Fasergelegen im Stapel 11 ausgeübt, um diese hinreichend stark zu spannen und zurückzuhalten, wenn mit dem oder mit den ersten Drapierstempeln 15b ein lokales Drapieren und Umformen des Stapels 11 an einer Ausnehmung 16 oder ähnliches der Matrize 14 erfolgt, so dass das Nachfließen des Fasermaterials kontrolliert werden kann, und gleichzeitig die Niederhaltekraft bzw. die Kompression K nicht zu groß wird, mit der Gefahr, dass die mit Bezug auf das Beispiel der 2a bis 2c geschilderten Nachteile eintreten.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Aktuatoren 19 beispielsweise als Hydraulikzylinder ausgeführt sind, welche mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden können. So kann die Steuereinrichtung beispielsweise veranlassen, dass ein Aktuator 19 für den Drapierstempel 15a oder 15c mit einem ersten Druck beaufschlagt wird, um den Drapierstempel 15a oder 15c in die Führungsposition zu bewegen und um die gewünschte Kompression K bzw. Niederhaltekraft auszuüben, und kann weiter veranlassen, dass der Aktuator 19 für den Drapierstempel 15a oder 15c mit einem zweiten, höheren Druck beaufschlagt wird, der den Drapierstempel 15a oder 15c in eine Endposition bewegt, in welcher der Stapel 11 an die Kontur der Matrize 14 auf seine Enddicke D drapiert wird. Der Abstand A bzw. die Kompression K werden dabei nicht direkt vorgegeben bzw. dienen nicht als Stellgrößen für die Ansteuerung der Aktuatoren 19, sondern ergeben sich indirekt als Resultat der teilweisen Komprimierung auf einen Abstand A = Enddicke D + Kompression K bzw. vollständigen Komprimierung auf einen Abstand A = Enddicke D des Fasermaterials im Stapel 11.
Umgekehrt ist es auch denkbar, die Drapierstempel 15a und 15c nicht gleichzeitig, sondern nacheinander oder teilweise gleichzeitig, teilweise nacheinander in die Führungsposition zu bewegen. Es besteht auch die Möglichkeit, für unterschiedliche Drapierstempel 15a, 15c unterschiedliche Kompression K bzw. unterschiedliche Niederhaltekräfte vorzugeben. Auch ist es denkbar, diese Größen zeitlich variabel zu gestalten, so dass beispielsweise ein gewünschtes zeitlich veränderliches Profil der Kompression K bzw. der Niederhaltekraft vorgegeben werden kann, um den Prozess weiter zu optimieren.
In den dargelegten Ausführungsformen der 3a bis 3d bzw. 4a bis 4d findet ein sequentieller Drapierprozess statt, wobei das Schließen der Drapiervorrichtung 13, mit den Drapierstempeln 15a, 15b, 15c, in mehreren Etappen erfolgt, in diesem Beispiel vom Bauteilinneren (entsprechend der Position des Drapierstempels 15b) hin zum Bauteilrand (entsprechend den Positionen der Drapierstempel 15a, 15c) erfolgt. Auf diese Weise kann ein Nachfließen an Fasermaterial des Stapels 11 von den Randbereichen für die Abformung von Sicken, Vertiefungen, Verprägungen etc. gewährleistet und eine konturgetreue Umformung des Stapels 11 erreicht werden. Die einzelnen Drapierstempel 15a, 15b, 15c werden hierfür in einer definierten zeitlichen Reihenfolge ausgefahren und schließen mit dem Unterwerkzeug bzw. der Matrize 14 bis auf einen Abstand A, welcher durch die Enddicke D des Stapels 11 bzw. des daraus resultierenden Vorformlings 5 bestimmt wird.
Bezugszeichenliste

1: Industrieanlage
2: Formteil
3: Werkzeug
4: Presse
5: Vorformling
6: Rolle
7: Schneidvorrichtung
8: Schneideinrichtung
9: Binderauftragseinrichtung
10: Stapeleinrichtung
11: Stapel
12: Heizeinrichtung
13: Drapiervorrichtung
14: Matrize
15a, 15b, 15c: Drapierstempel
16: Ausnehmung
17: Aufnahme
18: Abstützung
19: Aktuatoren
A: Abstand
D: Enddicke
H: Höhe des Stapels 11
S: Spalt
K: Kompression

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/156524 A1 [0002]
WO 2012/156523 A1 [0002]
WO 2010/103471 A2 [0002]
WO 2012/062824 A1 [0005]
WO 2012/062825 A1 [0005]
WO 2012/062828 A1 [0005]
DE 102010043663 A1 [0006]
DE 102010043665 A1 [0006]
DE 102010043666 A1 [0006]
DE 102013109854 A1 [0007, 0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Vorformlings (5) im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen (2) mit einer Drapiervorrichtung (13) umfassend eine Matrize (14), welche die Form des herzustellenden Vorformlings (5) abbildet, und Drapierstempel (15a, 15b, 15c), wobei ein Stapel (11) einer Höhe H von Fasergeweben und/oder Fasergelegen in einer Öffnungsposition der Drapiervorrichtung (13) auf einer Matrize (14) platziert wird und anschließend mittels Drapierstempeln (15a, 15b, 15c) auf die Matrize (14) drapiert und auf eine vorgegebene Enddicke D komprimiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Drapierens durch zumindest einen ersten Drapierstempel (15b) zumindest ein zweiter Drapierstempel (15a, 15c) in einer Führungsposition, welche von der Öffnungsposition verschieden ist, in einem Abstand A zur Matrize (14) positioniert und gehalten wird, und dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel (15a, 15c) zumindest teilweise einen Spalt S zum Stapel (11) aufweist, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Höhe H + Spalt S, mit Spalt S ≥ 0; und/oder dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel (15a, 15c) den Stapel (11) zumindest teilweise berührt und um eine Kompression K komprimiert, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Enddicke D + Kompression K, mit Kompression K > 0 und Kompression K ≤ Höhe H – Enddicke D.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Führungsposition der Spalt S zwischen dem zweiten Drapierstempel (15a, 15c) und dem Stapel (11) vorzugsweise weniger als 2 mm, weniger als 1,5 mm, weniger als 1,0 mm, weniger als 0,7 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,4 mm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand A so bemessen ist, dass in der Führungsposition die Kompression K weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30% und besonders bevorzugt weniger als 15% der Differenz von Höhe H und Enddicke D des Stapels (11) beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel (15a, 15c) eine Kompression K auf den Stapel (11) ausübt, die einem Druck von weniger als 5 × 10⁴ Pa, bevorzugt weniger als 2 × 10⁴ Pa, besonders bevorzugt weniger als 1 × 10⁴ Pa auf den Stapel (11) entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Drapierstempel (15a, 15c) zuerst zumindest Teile des Stapels (11) an die Form der Matrize (14) drapiert, und anschließend wieder angehoben und in die Führungsposition gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Drapieren des Stapels (11) alle Drapierstempel (15a, 15b, 15b) wieder angehoben werden und der Vorformling (5) entnommen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drapierstempel (15b) ein Drapierstempel einer Gruppe erster Drapierstempel (15b) ist, wobei die Drapierstempel der Gruppe erster Drapierstempel (15b) einzeln und/oder gemeinsam positioniert werden können, und/oder der zweite Drapierstempel (15a, 15c) ein Drapierstempel einer Gruppe zweiter Drapierstempel (15a, 15c) ist, wobei die Drapierstempel der Gruppe zweiter Drapierstempel (15a, 15c) einzeln und/oder gemeinsam positioniert werden können.
Drapiervorrichtung (13) zum Herstellen eines dreidimensionalen Vorformlings (5), umfassend eine Mehrzahl von Drapierstempeln (15a, 15b, 15c), und eine Matrize (14), welche die Form des herzustellenden Vorformlings (5) abbildet, wobei die Drapierstempel (15a, 15b, 15c) so eingerichtet sind, um mit der Matrize (14) so zusammenzuwirken, einen Stapel (11) einer Höhe H von Fasergeweben und/oder Fasergelegen, welcher in einer Öffnungsposition der Drapiervorrichtung (13) auf die Matrize (14) platziert wird, mittels der Drapierstempel (15a, 15b, 15c) auf die Matrize (14) zu drapieren und auf eine vorgegeben Enddicke D zu komprimieren, wobei die Drapierstempel (15a, 15b, 15c) von Aktuatoren (19) betätigt werden, und wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche die Aktuatoren (19) zur Betätigung der Drapierstempel (15a, 15b, 15c) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung so eingerichtet ist, die Ansteuerung der Aktuatoren (19) zur Betätigung der Drapierstempel (15a, 15b, 15c) so vorzunehmen, dass während des Drapierens durch zumindest einen ersten Drapierstempel (15b) zumindest ein zweiter Drapierstempel (15a, 15c) in einer Führungsposition, welche von der Öffnungsposition verschieden ist, in einem Abstand A zur Matrize (14) positioniert und gehalten wird, und dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel (15a, 15c) zumindest teilweise einen Spalt S zum Stapel (11) aufweist, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Höhe H + Spalt S, mit Spalt S ≥ 0; und/oder dass in der Führungsposition der zweite Drapierstempel (15a, 15c) den Stapel (11) zumindest teilweise berührt und um eine Kompression K komprimiert, wobei für den Abstand A gilt: Abstand A = Enddicke D + Kompression K, mit Kompression K > 0 und Kompression K ≤ Höhe H – Enddicke D.
Drapiervorrichtung (13) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand A so bemessen ist, dass der Spalt S vorzugsweise weniger als 2 mm, weniger als 1,5 mm, weniger als 1,0 mm, weniger als 0,7 mm und besonders bevorzugt weniger als 0,4 mm beträgt.
Drapiervorrichtung (13) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand A so bemessen ist, dass in der Führungsposition die Kompression K weniger als 80%, vorzugsweise weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30% und besonders bevorzugt weniger als 15% der Differenz von Höhe H und Enddicke D des Stapels (11) beträgt.
Drapiervorrichtung (13) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, w dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Drapierstempel (15a, 15c) eingerichtet ist in der Führungsposition eine Kompression K auf den Stapel (11) auszuüben, die einem Druck von weniger als 5 × 10⁴ Pa, bevorzugt weniger als 2 × 10⁴ Pa, besonders bevorzugt weniger als 1 × 10⁴ Pa entspricht.
Drapiervorrichtung (13) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung so eingerichtet ist, die Ansteuerung der Aktuatoren (19) zur Betätigung der Drapierstempel (15a, 15b, 15c) weiter so vorzunehmen, dass der zweite Drapierstempel (15a, 15c) zuerst Teile des Stapels (11) drapiert, und anschließend wieder angehoben und in die Führungsposition gebracht wird, und/oder nach dem Drapieren des Stapels (11) mittels aller Drapierstempel (15a, 15b, 15c) die Drapierstempel (15a, 15b, 15b) wieder angehoben werden, so dass der Vorformling (5) entnommen werden kann.
Drapiervorrichtung (13) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, für zumindest einen der Drapierstempel (15a, 15b, 15c) unter entsprechender Ansteuerung des zugeordneten Aktuators (19) die Position des zumindest einen Drapierstempels (15a, 15b, 15c) zu steuern und/oder zu regeln, und/oder einen Druck, der von dem zumindest einen Drapierstempel (15a, 15b, 15c) auf den Stapel (11) ausgeübt wird, zu steuern und/oder zu regeln.
Drapiervorrichtung (13) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drapierstempel (15b) ein Drapierstempel einer Gruppe erster Drapierstempel (15b) ist, wobei die Drapierstempel der Gruppe erster Drapierstempel (15b) einzeln und/oder gemeinsam betreibbar sind, und/oder der zweite Drapierstempel (15a, 15c) ein Drapierstempel einer Gruppe zweiter Drapierstempel (15a, 15c) ist, wobei die Drapierstempel der Gruppe zweiter Drapierstempel (15a, 15c) einzeln und/oder gemeinsam betreibbar sind.
Drapiervorrichtung (13) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Drapiervorrichtung (13) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.