DE102017209600A1

DE102017209600A1 - Textilstruktur mit optimierter Verformeigenschaft

Info

Publication number: DE102017209600A1
Application number: DE102017209600.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Schillinger; Horst Mai
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundhalbzeug (1) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Fahrzeug, und ein zugehöriges Verfahren, wobei das Faserverbundhalbzeug (1) mit zumindest zwei aufeinander liegenden Gelegelagen (10) aus jeweils einer Vielzahl von zueinander mit ihren Längsachsen parallel verlaufenden Rovings (11), wobei jede der Gelegelagen eine Vielzahl von Schnitten (12) mit Schnittverläufen in eine jeweilige Querrichtung (Q) orthogonal zu den Längsachsen (A) der jeweiligen Rovings (11) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundhalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen können mehrere Gelegelagen, die jeweils aus einer Vielzahl von unidirektionalen Rovings bestehen, aufeinander angeordnet werden um so ein Gelege zu bilden. Das Gelege wird unter Druck und Temperatur umgeformt und dabei auf bzw. in eine Form gepresst um ein Faserverbundhalbzeug bzw. eine Preform zu bilden. Damit bei dem Umformen des Geleges durch das Anpressen des Geleges an die Form das Gelege keine Verwerfungen oder Risse ausbildet bzw. Falten wirft, ist das Design der Umformwerkzeuge und damit der späteren Faserverbundbauteile bestimmten Regeln unterworfen.
Bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren und Faserverbundhalbzeugen darf die Form beispielsweise nur bis zu einem bestimmten Grad Umformflächen aufweisen, sodass das Gelege den Umformflächen folgen kann.
Die Drapierfähigkeit beschreibt hierbei die Eigenschaft von Gelegen, sich an die Kontur dreidimensionaler Oberflächen z.B. an die Oberflächen des Umformwerkzeuges anpassen zu können. Da die Rovings und die Filamente aus denen die Rovings bestehen in Faserrichtung im Kraftniveau der Umformung nahezu keine Dehnung aufweisen, müssen etwaige Kontursprünge in einem Bauteil durch eine Materialverscherung im Gelege erfolgen. Bei den im Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs bzw. einer Preform wird die Scherung in dem Gelege mit einem Spannrahmen am Umformungswerkzeug gesteuert.
Der theoretisch mögliche Maximalwert für die Materialverscherung α einer Gelegelage liegt bei 60°, wobei mit den im Stand der Technik bekannten Verfahren und Faserverbundhalbzeugen prozesssicher nur ein Wert von 30° realisiert werden kann.
Die Materialverscherung α berechnet sich zu tan α = x/d, wobei x die Verschiebung der Fasern bzw. Rovings über eine Lauflänge d quer zu den Filamenten ist.
Als Roving wird ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten bezeichnet. Der Querschnitt eines Rovings ist meist elliptisch oder rechteckig, kann jedoch auch rund sein.
Ein Filament ist in der textilen Terminologie die internationale Bezeichnung für Fasern mit praktisch unbegrenzter Länge. Nach DIN 60000 werden Filamente auch als Endlosfasern bezeichnet. In der DIN 60001 wird ein Filament bzw. Endlosfaser als eine Faser von mindestens 1000 mm Länge definiert.
Ein Gelege ist ein Flächengebilde, das aus einer oder mehreren Lagen bzw. Gelegelagen von parallel verlaufenden, gestreckten Filamenten besteht. An den Kreuzungspunkten werden die Filamente üblicherweise fixiert. Die Fixierung erfolgt entweder durch Stoffschluss oder mechanisch durch Reibung und/oder Formschluss.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu überwinden und ein Faserverbundhalbzeug sowie ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, bei dem die Drapierfähigkeit von Gelegen durch die Erhöhung der maximalen Materialverscherung α auf über 30° erhöht ist ohne die Belastbarkeit der aus den Gelegen hergestellten Faserverbundbauteilen oder Preforms zu verschlechtern. Zugleich soll das Faserverbundhalbzeug einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß den Patentansprüchen 1, 10 und 11 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Faserverbundhalbzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Fahrzeug, vorgeschlagen. Das Faserverbundhalbzeug ist aus zumindest zwei aufeinander liegenden Gelegelagen gebildet, wobei eine Gelegelage wiederum aus einer Vielzahl von zueinander mit ihren Längsachsen parallel verlaufenden Rovings gebildet ist. Jede der Gelegelagen weist eine Vielzahl von Schnitten auf. Die Schnittverläufe der Schnitte verlaufen in eine jeweilige Querrichtung orthogonal zu den Längsachsen der jeweiligen Rovings. Die Rovings sind entlang der jeweiligen Schnittverläufe von den Schnitten durchtrennt. Zumindest die Schnitte der direkt aufeinander liegenden Gelegelagen überlagern sich in ihrer Projektion nicht, sodass das Faserverbundhalbzeug keine in Dickenrichtung durchgehenden Lücken bzw. Öffnungen aufweist. Die Dickenrichtung des Faserverbundhalbzeugs verläuft orthogonal zu den im Wesentlichen als Ebene ausgebildeten Gelegelagen.
Durch die Schnitte werden die geschnittenen Rovings beim Umformen auseinandergezogen, sodass sich zwischen den Rovings eine Lücke ergibt. Dadurch erhöht sich bei gleicher Lauflänge d die mögliche Verschiebung x der Fasern, wodurch sich eine höhere Materialverscherung α ergibt und sich die Drapierfähigkeit der jeweiligen Gelegelage erhöht. Bei der Imprägnation des Faserverbundhalbzeugs mit einem Matrixmaterial und der anschließenden Aushärtung des imprägnierten Matrixmaterials werden die geschnittenen Bereiche der jeweiligen Gelegelage mit ungeschnittenen Bereichen direkt benachbarter Gelegelagen verbunden, sodass eine an dem fertigen Faserverbundbauteil angreifende Zugbelastung großflächig auf benachbarte Gelegelagen und das Matrixmaterial verteilt wird. Da die direkt benachbarten bzw. aufeinander aufliegenden Gelegelagen bezüglich dem Verlauf ihrer Rovings verdreht zueinander angeordnet sind, besitzen die zu einem geschnitten Bereich einer Gelegelage benachbarten Bereiche quer zu dem Schnittverlauf des geschnitten Bereichs eine bessere Drapierfähigkeit und können einer Verschiebung bzw. Dehnung der geschnittenen Gelegelage folgen. Sind die Rovings, aus denen die Gelegelagen gebildet werden oder die Gelegelagen bereits vorimprägniert, kann zusätzlich Matrixmaterial in die Gelegelagen eingebracht werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Schnitte jeweils eine Schnittverlauflänge aufweisen, die ausgebildet ist, die Rovings, die der jeweilige Schnitt durchtrennt, vollständig in Richtung ihrer Querschnittsbreite bzw. ihres Querschnitts zu durchtrennen. Wird der gesamte Roving durchtrennt, können sich die beiden Rovingteile bei der Umformung voneinander entfernen. Werden einzelne Filamente eines Rovings nicht durchtrennt, können die Rovingteile sich voneinander nicht oder nur unter einer größeren Kraft als bei vollständig durchtrennten Rovings entfernen, wodurch sich in den jeweiligen Bereichen eine ungleichmäßige Drapierfähigkeit ergibt.
Die Schnittverläufe der Vielzahl von Schnitten weisen bei einer vorteilhaften Ausbildungsform unterschiedliche Schnittverlauflängen auf. Die Schnitte durchtrennen dadurch jeweils unterschiedlich viele Rovings. Durch die unterschiedlich langen Schnittverlauflängen ist die Drapierfähigkeit in Abhängigkeit der Form in die sie umgeformt werden soll anpassbar. In Bereichen, in denen die in den Bereichen verlaufenden Rovings einer geringen Umformung unterworfen sind, ist eine niedrigere Drapierfähigkeit ausreichend und daher keine oder kurze Schnitte erforderlich. In Bereichen, in denen die in den Bereichen verlaufende Rovings in die Richtung ihrer Längsachsen eine hohe Drapierfähigkeit benötigen, um bei der Umformung den Umformflächen zu folgen und dabei möglichst keine Falten und Verwerfung auszubilden, sind längere und/oder eine höhere Anzahl der Schnitte erforderlich.
Eine Länge eines Teilabschnitts eines Rovings zwischen zwei den Roving durchtrennenden Schnitten ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung zumindest 50 mm. Durch diese Mindestlänge können die Rovings mit benachbarten ungeschnittenen Rovings ausreichend überlappen, sodass sie nach dem imprägnieren mit einem Matrixmaterial und dem Aushärten einen ausreichenden Zusammenhalt aufweisen um die Kräfte über die Matrix bzw. das Matrixmaterial zwischen den Rovings verteilen zu können.
Vorteilhafterweise überlappen sich zwei Teilabschnitte zweier direkt aneinander angrenzender Rovings über eine Abmessung von zumindest 25 mm. Durch die 25 mm Überlappung können Kräfte von einem Teilabschnitt auf einen anderen Teilabschnitt abgeleitet werden. Bei einer minimalen Schnittlänge und einem minimalen Abstand der Schnitte quer zu den Schnittverläufen, wäre jeder Teilabschnitt der Rovings 50 mm lang und würde sich mit den in Querrichtung zu seinem Verlauf direkt benachbarten Rovings um jeweils 25 mm überlappen. Die Überlappung bzw. die Längenabmessung ist jeweils abhängig von der angestrebten Drapierfähigkeit bzw. der angestrebten Umformung und muss ausgebildet sein, eine ausreichende Überlappung auch noch nach der Umformung einzuhalten.
Die Rovings sind aus einer Vielzahl von Kohlenstofffilamenten gebildet und können bereits vorimprägniert sein. Das Matrixmaterial vorimprägnierter Rovings kann durch eine Temperaturerhöhung aktiviert werden, sodass es sich mit umliegendem Matrixmaterial verbindet.
Zumindest die direkt aneinander angrenzenden bzw. aufeinander aufliegenden Gelegelagen der zumindest zwei Gelegelagen sind aneinander fixiert. Die Fixierung kann durch verkleben, vernähen oder versticken erfolgen. Weist das Faserverbundhalbzeug mehr als zwei Gelegelagen auf, können auch mehr als zwei Gelegelagen miteinander verbunden bzw. fixiert sein. Werden die Gelegelagen miteinander vernäht oder verstickt spricht man von miteinander Verwirken. Beim Verwirken werden die Gelegelagen miteinander durch Fäden, die zwischen den Gewebelagen und den jeweiligen Rovings der Gewebelagen verlaufen, miteinander verbunden.
Zumindest die direkt aneinander angrenzenden Gelegelagen sind bei einer vorteilhaften Weiterbildung miteinander vernäht.
Bei einer vorteilhaften Ausbildungsform des Faserverbundhalbzeugs sind die Rovings einer ersten Gelegelage zu den Rovings einer direkt angrenzenden zweiten Gelegelage bezüglich ihrer Längsachsen verdreht angeordnet. Die Längsachsen der Rovings der ersten Gelegelage schließen mit den Längsachsen der Rovings der zweiten Gelegelage einen Winkel von insbesondere 45° oder 90° ein.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeugs vorgeschlagen, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:

- parallel zueinander Anordnen einer ersten Vielzahl von Rovings einer ersten Gelegelage,
- parallel zueinander Anordnen einer zweiten Vielzahl von Rovings einer zweiten Gelegelage,

- Schneiden der Rovings der ersten Gelegelage entlang einer ersten Vielzahl von Schnittverläufen,
- Schneiden der Rovings der zweiten Gelegelage entlang einer zweiten Vielzahl von Schnittverläufen,
- aufeinander Anordnen der ersten Gelegelage und der zweiten Gelegelage, wobei sich die Schnittverläufe der ersten Vielzahl von Schnittverläufen nicht mit den Schnittverläufen der zweiten Vielzahl von Schnittverläufen überlagern, wobei

Das Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundhalbzeug umfasst vorteilhafterweise ferner die folgenden Schritte:

- Anordnen des Faserverbundhalbzeugs in einem Umformwerkzeug,
- Umformen des Faserverbundhalbzeugs durch das Umformwerkzeug, wobei sich Rovings einer Gelegelage des Faserverbundhalbzeugs an den Schnittverläufen gegenüber benachbarten Rovings verschieben, sodass sich an den Schnittverläufen Löcher in der Gelegelage bilden,
- Imprägnieren des Faserverbundhalbzeugs mit einem Matrixmaterial oder Aktivieren des Matrixmaterials vorimprägnierter Rovings, wobei das Matrixmaterial die Löcher der Gelegelage füllt.

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 zeigen:

1 Draufsicht auf eine Gelegelage;
2 Draufsicht auf ein Faserverbundhalbzeug, wobei die Schnittverläufe zweier Gelegelagen sichtbar sind.

Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
Die 1 zeigt eine Gelegelage 10 eines Faserverbundhalbzeugs 1 aus der Draufsicht. Die Gelegelage ist aus einer Vielzahl von mit ihrer Längsachse A parallel zueinander verlaufenden Rovings 11 gebildet, die nur ausschnittsweise dargestellt sind. Durch Schnitte 12 mit jeweils einer Schnittverlauflänge 12L durch jeweils benachbart zueinander angeordneten Rovings 11 werden Rovingpakete gebildet, die schematisch durch rechteckige Flächen dargestellt sind. Die Teilabschnitte 13' der geschnittenen Rovings 11 weisen jeweils eine Länge 13L auf, die durch den Abstand von zumindest 50 mm zwischen zwei einen Roving 11 durchtrennenden Schnitten 12 bestimmt ist. Um einen ausreichenden Zusammenhalt nach dem Imprägnieren und Aushärten zwischen den Rovings 11 zu gewährleisten, überlappen sich zwei Teilabschnitte 13' und 13" zweier in Querrichtung Q zu ihrer Längsachse A direkt aneinander angrenzender Rovings 11 um eine Abmessung 13A von zumindest 25 mm. Die Schnitte 12 sind in Abhängigkeit der Form angeordnet, auf die die Gelegelage 10 drapiert bzw. umgeformt werden soll. In Bereichen in denen keine oder nur eine geringe Anpassung der Gelegelage 10 an die Form notwendig ist, sind keine oder nur wenige Schnitte angeordnet. In Bereichen in denen die Anpassung der Gelegelage 10 an die Form notwendig ist, sind mehrere und längere Schnitte 12 in der Gelegelage 10 ausgebildet. Ein Schnitt 12 im Sinne der Erfindung teilt einen Roving 11 in zwei Teilabschnitte, sodass die Randbereiche der Gelegelage 10, in denen ein Roving endet, kein Schnitt 12 ist.
2 zeigt ein Faserverbundhalbzeug 1 aus der Draufsicht, wobei die Rovings 11' der ersten Gelegelage und die Rovings 11" der zweiten Gelegelage bezüglich ihrer Längsachsen A' und A" einen Winkel β von 90° zwischen sich ausbilden. Die erste Gelegelage weist eine Vielzahl von Schnitten 12' senkrecht zu der Längsachse A' der Rovings 11', die die Schnitte 12' durchschneiden, auf und die zweite Gelegelage eine Vielzahl von Schnitten 12" senkrecht zu der Längsachse A" der Rovings 12". Obwohl die Schnitte zumindest einer der Gelegelagen normalerweise nicht sichtbar wären, zeigt die 2 schematisch die Schnitte 12' und 12" um zu verdeutlichen, dass kein Schnitt 12' der ersten Gelegelage einen Schnitt 12" der zweiten Gelegelage kreuzt bzw. überlagert. Dadurch kommt es bei einer Drapierung der Gelegelagen bzw. des Faserverbundhalbzeugs 1 zu keinen durchgehenden das Faserhalbzeug 1 in Dickenrichtung durchlaufenden Lücken oder Öffnungen in dem Faserverbundhalbzeug 1.
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 kann in die Schnittbereiche der Gelegelagen nach oder während des Umformens zusätzliches Matrixmaterial oder ein davon abweichendes Füllmaterial eingespritzt werden, um die sich beim Umformen ergebenden Lücken bzw. Hohlräume in den Gelegelagen zu schließen.

Claims

Faserverbundhalbzeug (1) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Fahrzeug, mit zumindest zwei aufeinander liegenden Gelegelagen (10) aus jeweils einer Vielzahl von zueinander mit ihren Längsachsen parallel verlaufenden Rovings (11), wobei jede der Gelegelagen eine Vielzahl von Schnitten (12) mit Schnittverläufen in eine jeweilige Querrichtung (Q) orthogonal zu den Längsachsen (A) der jeweiligen Rovings (11) aufweist, wobei die Rovings (11) entlang der jeweiligen Schnittverläufe von den Schnitten (12) durchtrennt sind, und sich die Schnitte (12) zumindest der direkt aufeinander liegenden Gelegelagen (10) in ihrer Projektion nicht überlagern.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnitte (12) jeweils eine Schnittverlauflänge (12L) aufweisen, die ausgebildet ist, die Rovings (11), die der jeweilige Schnitt (12) durchtrennt, vollständig in ihrem Querschnitt zu durchtrennen.
Faserverbundhalbzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittverläufe der Vielzahl von Schnitten (12) unterschiedliche Schnittverlauflängen (12L) aufweisen und jeweils unterschiedlich viele Rovings (11) durchtrennen.
Faserverbundhalbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (13L) eines Teilabschnitts (13') eines Rovings (11) zwischen zwei den Roving (11) durchtrennenden Schnitten (12) zumindest 50 mm ist.
Faserverbundhalbzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei Teilabschnitte (13', 13") zweier direkt aneinander angrenzender Rovings (11) über eine Abmessung (13A) von zumindest 25 mm überlappen.
Faserverbundhalbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rovings (11) aus einer Vielzahl von Kohlenstofffilamenten gebildet sind.
Faserverbundhalbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die direkt aneinander angrenzenden Gelegelagen der zumindest zwei Gelegelagen (10) aneinander fixiert sind.
Faserverbundhalbzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die direkt aneinander angrenzenden Gelegelagen (10) miteinander vernäht sind.
Faserverbundhalbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rovings (11') einer ersten Gelegelage zu den Rovings (11") einer direkt angrenzenden zweiten Gelegelage bezüglich ihrer Längsachsen (A', A") verdreht angeordnet sind und die Längsachsen (A') der Rovings (11') der ersten Gelegelage (10') mit den Längsachsen (A") der Rovings (11") der zweiten Gelegelage (10") einen Winkel (β) von insbesondere 45° oder 90° zwischen sich einschließen.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: - parallel zueinander Anordnen einer ersten Vielzahl von Rovings einer ersten Gelegelage, - parallel zueinander Anordnen einer zweiten Vielzahl von Rovings einer zweiten Gelegelage, - Schneiden der Rovings der ersten Gelegelage entlang einer ersten Vielzahl von Schnittverläufen, - Schneiden der Rovings der zweiten Gelegelage entlang einer zweiten Vielzahl von Schnittverläufen, - aufeinander Anordnen der ersten Gelegelage und der zweiten Gelegelage, wobei sich die Schnittverläufe der ersten Vielzahl von Schnittverläufen nicht mit den Schnittverläufen der zweiten Vielzahl von Schnittverläufen überlagern, wobei die Rovings vor oder nach dem parallel zueinander Anordnen entlang der Schnittverläufe und in Gruppen von mehreren Rovings oder einzeln geschnitten werden.
.Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundhalbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: - Anordnen des Faserverbundhalbzeugs in einem Umformwerkzeug, - Umformen des Faserverbundhalbzeugs durch das Umformwerkzeug, wobei sich Rovings einer Gelegelage des Faserverbundhalbzeugs an den Schnittverläufen gegenüber benachbarten Rovings verschieben, sodass sich an den Schnittverläufen Löcher in der Gelegelage bilden, - Imprägnieren des Faserverbundhalbzeugs mit einem Matrixmaterial oder Aktivieren des Matrixmaterials vorimprägnierter Rovings, wobei das Matrixmaterial die Löcher der Gelegelage füllt.