DE102016213407A1

DE102016213407A1 - Vorrichtung und Verfahren zur effizienten Herstellung von Bauteilrohlingen aus Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102016213407A1
Application number: DE102016213407.8A
Authority: DE
Inventors: Hanno Pfitzer; Manuel Schurz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2018-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Matrix und einer Vielzahl von Verstärkungsfasern, umfassend eine Faserstreifenverteilvorrichtung (30) die wenigstens ein Gehäuse (31) mit einer Faserstreifenzuführung (32) und einem Faserstreifenaustritt (33) aufweist sowie eine Einblasvorrichtung (34) zum Verteilen und Orientieren des Verbundwerkstoffs im Gehäuse, wobei die Einblasvorrichtung (34) zumindest eine Luftstromquelle (35) und zumindest ein Mittel (36) zur gezielt gerichteten Orientierung und Verteilung des Verbundwerkstoffs durch den Faserstreifenaustritt (33) auf einer Bauteilform (40) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein zur Vorrichtung gehöriges Verfahren zur effizienten Herstellung von Bauteilrohlingen aus Verbundwerkstoffen, insbesondere zur Herstellung von Bauteilrohlingen aus vorimprägnierten Faser-Matrix-Halbzeugen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedenste Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Herstellung von Bauteilrohlingen aus Verbundwerkstoffen bekannt. So offenbart die DE102013209057A1 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteilrohlings und dessen Konsolidierung. Jedoch muss dabei meist die fließfähige Matrix-Komponente separat von der Faser-Komponente, oft in Form von Matten, in die Vorrichtung eingebracht werden. Dadurch kann größtenteils nicht sichergestellt werden, dass die Matrix-Komponente auf und in der Faser-Komponente gleichmäßig verteilt wird. Regelmäßig herrscht hierbei, vor allem in Randbereichen eine schlechtere Durchtränkung mit der Matrix-Komponente als in Kernbereichen vor. Daher muss für viele Anwendungen der Randbereich vom eigentlichen Bauteil abgetrennt werden um für dieses die geforderten Eigenschaften zu gewährleisten.
Die DE10201111768A1 offenbart statt einer mattenförmigen Faser-Komponente Endlosfasern, jedoch wird die Matrix-Komponente erst nach der Verflechtung mehrerer endlos Fasern eingebracht. Durch die Anwendung der Flechttechnik können keine unterschiedlichen Faserverteilungen realisiert werden.
In der DE102006025280A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils offenbart, bei dem ein Bündel einer Endlosfaser imprägniert wird und dieser Faser/Matrix-Strang mittels eines Handhabungsgerätes über eine Düse endkonturnah in eine temperierte Vorrichtung gelegt und konsolidiert wird. Hierbei wird jedoch nur immer eine einzelne Faser vom Handhabungsgerät abgelegt, was bei größeren Bauteilen einen hohen zeitlichen Mehraufwand erfordert.
In der DE102014223982B3 wird eine Prozessanordnung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils offenbart, in der vorimprägnierte, textile Halbzeuge verarbeitet werden. Durch die Art der Verarbeitung, können aber keine unterschiedlichen Orientierungen oder Mengenverteilungen der Matrix-Komponente realisiert werden und auch bezüglich der Formgebung ist die Prozessanordnung Einschränkungen unterworfen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass eine einfache und kostengünstige Lösung, zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus Verbundwerkstoffen, bereit stellt. Dabei soll eine endkonturnahe Formgebung, das Einbringen unterschiedlicher Materialmengen in verschiedene Bauteilrohlingsabschnitte sowie eine gleichmäßige Verteilung der Matrix-Komponente über alle Faser-Komponenten des gesamten Bauteilrohlings gewährleistet werden. Ein Beschnitt des Bauteilrohlings aufgrund einer ungleichmäßigen Matrix-Komponentenverteilung soll dabei nicht nötig sein. Ebenso soll durch gezielt ausgerichtete Faser-Komponentenanteile eine kraftflussgerechte Herstellung ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 sowie Patentanspruch 7 gelöst.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Matrix und einer Vielzahl von Verstärkungsfasern, vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Faserstreifenverteilvorrichtung, die wenigstens ein Gehäuse mit einer Faserstreifenzuführung und einem Faserstreifenaustritt aufweist, sowie eine Einblasvorrichtung zum Verteilen und Orientieren des Verbundwerkstoffs im Gehäuse. Die Einblasvorrichtung weist dabei zumindest eine Luftstromquelle und zumindest ein Mittel zur gezielt gerichteten Orientierung und Verteilung des Verbundwerkstoffs durch den Faserstreifenaustritt vorzugsweise auf einer Bauteilform auf. Durch das zumindest eine Mittel zur gezielt gerichteten Orientierung und Verteilung kann der Verbundwerkstoff auf der gesamten Bauteilform gemäß einer gewünschten Verteilung aufgebracht werden. Dabei können auch unterschiedliche Mengen an Lagen von Verbundwerkstoff und unterschiedliche Orientierungen realisiert werden, wodurch eine kraftflussgerechte Formgebung gewährleistet werden kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht dabei vor, dass das Mittel zur gezielt gerichteten Orientierung und Verteilung des Verbundwerkstoffs zumindest ein, über eine Steuerung einstellbares, Luftleitblech umfasst. Dadurch kann der Verbundwerkstoff durch den Luftstrom, der von der Luftstromquelle zur Verfügung gestellt wird, und das zumindest eine Luftleitblech von der Einblasvorrichtung gezielt auf eine gewünschte Stelle der Bauteilform „geblasen“ werden. Hierdurch können auch Randbereiche gezielt ausgebildet werden.
Von Vorteil ist eine Weiterbildung, bei der die Vorrichtung vor der Faserstreifenzuführung eine Aufspreizvorrichtung zum Aufspreizen des Verbundwerkstoffs und eine Schneidevorrichtung zum Quer- und/oder Längsschneiden des gespreizten Verbundwerkstoffs umfasst. Dadurch kann der Verbundwerkstoff aus seiner ursprünglichen zunächst verbreitert und dann, abhängig vom Anwendungsfall, geschnitten werden. So wird das Ausgangsmaterial z. B. von 15mm Breite auf 30mm Breite gespreizt. Dies geschieht etwa 20mm bis 30mm vor der Schneidevorrichtung. Diese ist, von der Steuerung, auch während der laufenden Bauteilrohlingfertigung, so einstellbar, dass verschiedene Abstände zwischen den Schnitten realisiert werden können, um unterschiedlich lange und breite Verbundwerkstoffstücke zu erzeugen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante, besitzt das Gehäuse eine turmähnliche Form, in oder an dem die Einblasvorrichtung angeordnet ist und an dessen Boden die Bauteilform angeordnet ist. Dadurch ist die Bauteilform durch das Gehäuse der Faserstreifenverteilvorrichtung einerseits vor Umwelteinflüssen geschützt und andererseits die Aufbringung des Verbundwerkstoffs durch die Einblasvorrichtung geschieht in einem geschützten Bereich. Hierdurch wird die Verarbeitungssauberkeit und die Genauigkeit der Platzierung und Orientierung der einzelnen Verbundwerkstoffstücke auf der Bauteilform bzw. dem Bauteilrohling verbessert.
Vorteilhaft ist weiter eine Weiterbildungsart, bei der die Bauteilform eben ist und/oder zumindest teilweise eine dreidimensionale Form ausbildet. Dadurch kann eine dreidimensionale Formgebung des Bauteilrohlings realisiert werden.
Von Vorteil ist ebenso eine Ausführungsform, bei der die Bauteilform mit einer Haftschicht oder einer Harzschicht bedeckt ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die einzelnen Verbundwerkstoffstücke auch bei komplexen Formgebungen an der Bauteilform haften. Durch eine solche Schicht kann, falls gewünscht, eine zusätzliche Matrix-Komponente eingebracht werden, die einen Härter umfassen kann.
Erfindungsgemäß wird weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff unter Nutzung der dargelegten Vorrichtung vorgeschlagen, wobei das Verfahren ein Verteilen einer Vielzahl von konfektionierten Faserstreifen auf der Bauteilform durch die Faserstreifenverteilvorrichtung umfasst. Das zumindest eine Mittel zur gezielt gerichteten Orientierung und Verteilung der konfektionierten Faserstreifen auf der Bauteilform, wird dabei durch die Steuerung gesteuert. Durch das Aufteilen des Verbundwerkstoffs in die konfektionierten Faserstreifen, können diese durch den Luftstrom und das zumindest eine Mittel der Einblasvorrichtung gezielt in einer gesteuerten Orientierung auf der Bauteilform bzw. dem Bauteilrohling aufgebracht werden.
Weiter von Vorteil ist für das Verfahren, wenn eine Ausbildungsform das Aufspreizen des Verbundwerkstoffs in der Aufspreizvorrichtung, wobei der Verbundwerkstoff ein vorimprägniertes Faser-Matrix-Halbzeug ist, und das Quer- und/oder Längsschneiden umfasst. Dabei soll das Quer- und/oder Längsschneiden, mit einem variablen Abstand zwischen den Schnitten, des aufgespreizten vorimprägnierten Faser-Matrix-Halbzeugs möglich sein, um so die Vielzahl von konfektionierten Faserstreifen in der Schneidevorrichtung zu erzeugen. Durch die Nutzung von vorimprägnierten Faser-Matrix-Halbzeugen, sogenannten Prepregs, wird sichergestellt, dass die Verteilung der Matrix um die Fasern gleichmäßig ist und diese nach dem Aushärten eine gleiche Festigkeit und Belastbarkeit aufweisen. Die Prepregs können dabei in Form von Rovings oder Bändern auf Rollen aufgewickelt der Vorrichtung zugeführt werden. Durch das Quer- und/oder Längsschneiden des Verbundwerkstoffs mit einem variablen Abstand zwischen den Schnitten, ist es möglich unterschiedlich breite und unterschiedlich lange Faserstreifen zu erzeugen und später aufzubringen. In Bereichen der Bauteilform oder des Bauteilrohlings in denen die Formgebung dies erfordert, wie Nuten oder Knicke, kann so ein größerer Anteil an Kurzfasern eingebracht werden. In anderen Bereichen kann ein größerer Anteil an Langfasern eingebracht werden.
Durch die Verwendung von vorimprägnierten Faser-Matrix-Werkstoffen ist es nicht nötig Randbereiche vom Rohling abzutrennen.
Weiter von Vorteil ist eine Verfahrensweiterbildung, bei der das vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeug ein unidirektionales Prepreg ist.
Vorteilhaft ist ferner eine Verfahrensform bei der das vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeug über seine Querschnittsfläche eine Vielzahl an Filamenten aufweist, wobei die Vielzahl 24000 oder mehr Filamente ist.
Ebenfalls vorteilhaft ist es für das Verfahren, wenn ein Faseranteil des vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeugs eine Vielzahl an Kohlenstofffasern umfasst. Der genutzte Verbundwerkstoff ist also ein CFK.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff
Die Figur ist beispielhaft schematisch.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff 2. Der Verbundwerkstoff 2 wird dabei zunächst als Faser-Matrix-Halbzeug 2 (Prepreg) von einer Rolle abgespult und in der Aufspreizvorrichtung 10 aufgespreizt. Das aufgespreizte Faser-Matrix-Halbzeug 2 wird dann von der Scheidevorrichtung 20 in die Vielzahl von konfektionierten Faserstreifen 3 zerteilt. Diese können unterschiedliche Längen und Breiten besitzen. Das Schneiden in der Schneidevorrichtung 20 wird durch eine nicht näher gezeigte Steuerung, abhängig von der Form der Bauteilform 40, gesteuert. Durch den Luftstrom, der von der Luftstromquelle 35 bereitgestellt wird, werden die Faserstreifen 3 von einem Mittel (einem Luftleitblech) 36 der Einblasvorrichtung 34 und durch den Faserstreifenaustritt 33 auf der Bauteilform 40 abgelegt. Dabei besitzt die Faserstreifenverteilvorrichtung 30 ein Gehäuse 31, dass einerseits die Bauteilform 40 vor Umwelteinflüssen schützt und andererseits die Faserstreifen 3 durch eine Faserstreifenzuführung 32 zur Einblasvorrichtung 34 passieren lässt. Müssen von der Einblasvorrichtung 34 an komplexen Stellen Faserstreifen 3 aufgebracht werden, so wurden die Faserstreifen 3 in der Schneidevorrichtung 20 hierfür konfektioniert. So werden in Bereichen mit Knicken oder Nutzen kleinere und kürzere Faserstreifen 3 aufgebracht. In Bereichen in denen eine starke Belastung des fertigen Bauteils vorgesehen ist, werden größere und längere Faserstreifen 3, sowie mehrere Lagen an Faserstreifen 3 platziert. Das Luftleitblech 36 der Einblasvorrichtung 34 appliziert Faserstreifen 3 dabei so Bauteil- und Konturgetreu, dass ein Beschnitt des Randes nicht nötig ist. Die Bauteilform 40 kann dann, für die Konsolidierung des Bauteilrohlings, aus dem turmartigen Gehäuse 31 entnommen werden. Das turmartige Gehäuse 31 kann daraufhin eine andere oder eine anders gestaltete Bauteilform 40 aufnehmen, um auf dieser Bauteilform 40 Faserstreifen aufzubringen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise könnte die Einblasvorrichtung auch durch einen Roboter umgesetzt werden oder statt eines Prepregs könnte eine Endlosfaser vor dem Schneiden an der Vorrichtung imprägniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013209057 A1 [0002]
DE 10201111768 A1 [0003]
DE 102006025280 A1 [0004]
DE 102014223982 B3 [0005]

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Matrix und einer Vielzahl von Verstärkungsfasern, umfassend eine Faserstreifenverteilvorrichtung (30), die wenigstens ein Gehäuse (31) mit einer Faserstreifenzuführung (32) und einem Faserstreifenaustritt (33) aufweist, sowie eine Einblasvorrichtung (34) zum Verteilen und Orientieren des Verbundwerkstoffs im Gehäuse, wobei die Einblasvorrichtung (34) zumindest eine Luftstromquelle (35) und zumindest ein Mittel (36) zur gezielt gerichteten Orientierung und Verteilung des Verbundwerkstoffs durch den Faserstreifenaustritt (33) auf einer Bauteilform (40) aufweist.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (36) zur gezielt gerichteten Orientierung und Verteilung des Verbundwerkstoffs zumindest ein, über eine Steuerung einstellbares, Luftleitblech umfasst.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) vor der Faserstreifenzuführung (32) eine Aufspreizvorrichtung (10) zum Aufspreizen des Verbundwerkstoffs und eine Schneidevorrichtung (20) zum Quer- und/oder Längsschneiden des gespreizten Verbundwerkstoffs umfasst.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (31) eine turmähnliche Form hat, in oder an dem die Einblasvorrichtung (34) angeordnet ist und an dessen Boden die Bauteilform (40) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilform (40) eben ist und/oder zumindest teilweise eine dreidimensionale Form ausbildet.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilform (40) mit einer Haftschicht oder einer Harzschicht bedeckt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff unter Nutzung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Verteilen einer Vielzahl von konfektionierten Faserstreifen (3) auf der Bauteilform (40) durch die Faserstreifenverteilvorrichtung (30) umfasst, wobei das zumindest eine Mittel (36) zur gezielt gerichteten Orientierung und Verteilung der konfektionierten Faserstreifen (3) auf der Bauteilform (40), durch eine Steuerung gesteuert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteilrohlings aus einem Verbundwerkstoff unter Nutzung einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: a. Aufspreizen des Verbundwerkstoffs in einer Aufspreizvorrichtung (10), wobei der Verbundwerkstoff ein vorimprägniertes Faser-Matrix-Halbzeug (2) ist. b. Quer- und/oder Längsschneiden, mit einem variablen Abstand zwischen den Schnitten, des aufgespreizten vorimprägnierten Faser-Matrix-Halbzeugs (2) zu der Vielzahl von konfektionierten Faserstreifen (3) in einer Schneidevorrichtung (20).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeug (2) ein unidirektionales Prepreg verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeug (2) über seine Querschnittsfläche eine Vielzahl an Filamenten aufweist, wobei die Vielzahl 24000 oder mehr Filamente ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faseranteil des vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeugs (2) eine Vielzahl an Kohlenstofffasern umfasst.