DE102018108731A1

DE102018108731A1 - Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten mehrlagigen Halbzeugs

Info

Publication number: DE102018108731A1
Application number: DE102018108731.4A
Authority: DE
Inventors: Paul Zwicklhuber; Lorenz REITH
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2018-10-18
Also published as: AT519830A1; AT519830B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten mehrlagigen Halbzeugs (5) mit zumindest folgenden Schritten:- Bereitstellen eines mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeugs (1), wobei wenigstens eine Lage des zu konsolidierenden Halbzeugs (1) eine thermoplastische Kunststoffmatrix aufweist- Aufbringen eines Drucks auf das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug (1) zum Konsolidieren des zu konsolidierenden Halbzeugs (1)- Erhitzen des mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeugs (1) auf eine zur Konsolidierung geeignete Temperatur über die Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffmatrix- Abkühlen des mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeugs (1) auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffmatrix, bei welcher die Kunststoffmatrix formstabil ist- Entnahme des konsolidierten mehrlagigen Halbzeugs (5), wobei ein Bereitstellen einer für das Erhitzen erforderlichen Wärmeenergie mittels Strahlungsenergie erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten mehrlagigen Halbzeugs, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten mehrlagigen Halbzeugs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11.
Der Trend bei der Auslegung und Realisierung von konsolidierten Halbzeugen geht vermehrt in Richtung der gezielten Einbringung lokaler Verstärkungselemente. Durch den Einsatz solcher Verstärkungselemente, vor allem sind hier unidirektionale Bänder bzw. Tapes zu nennen, ist ein besonders effizienter und kostengünstiger Leichtbau möglich. Dabei werden unterschiedliche Lagen aus unterschiedlichen Materialien oder mit unterschiedlicher Geometrie und/oder Faserorientierung aufeinander angeordnet und somit ein Lagenaufbau (ein zu konsolidierendes Halbzeug) hergestellt. Nach Herstellung eines solchen zu konsolidierenden Halbzeugs wird dieses unter Druck gesetzt und Wärme zugeführt. Durch ein solches Verfahren verbinden sich die unterschiedlichen Lagen des zu konsolidierenden Halbzeugs untereinander und ein konsolidiertes Halbzeug wird geschaffen.
Es ist geläufig, von einem zu konsolidierenden Halbzeug zu sprechen, bis das zu konsolidierende Halbzeug erwärmt wurde, unter Druck gesetzt wurde und sich die einzelnen Lagen verbunden haben. Erst nach der Abkühlung des zu konsolidierenden Halbzeugs zumindest unter die Erweichungstemperatur gilt das Halbzeug als konsolidiert. Die Temperatur zur Konsolidierung eines Halbzeuges liegt oberhalb der Erweichungstemperatur des verwendeten Kunststoffes. Diese beträgt beispielsweise bei einer Verwendung von Polyamid 6 (Kurzbezeichnung: PA6) ca. 240°C und bei Polypropylen (Kurzbezeichnung: PP) ca. 180°C. Der Druck zum Konsolidieren des zu konsolidierenden Halbzeugs (Konsolidierungsdruck) ist so zu wählen, dass es zu möglichst geringem „Faserschwimmen“ im zu konsolidierenden Halbzeug kommt, bevorzugt wird ein Flächendruck von 0,5 bis 10 bar gewählt. Die Schritte des Erhitzens und des Aufbringens eines Druckes auf das zu konsolidierende Halbzeug können zeitlich nacheinander erfolgen (zuerst Aufbringen des Drucks und dann Erhitzen oder umgekehrt) oder sich in ihrer zeitlichen Abfolge auch zumindest teilweise überlappen.
Das Abkühlen des Halbzeugs auf eine Temperatur, bei welcher die Kunststoffmatrix formstabil ist, erfolgt zumindest unter die Erweichungstemperatur und kann aktiv oder passiv durchgeführt werden.
Bei den verschiedenen Tape-Lege-Verfahren bzw. Lageaufbau-Verfahren gibt es unterschiedliche Ansätze zur Fixierung der Tapes auf dem Grundträger. Zur Konsolidierung des oben beschriebenen zu konsolidierenden Halbzeugs werden derzeit vorwiegend Doppelband-Pressen eingesetzt, welche kontinuierlich oder diskontinuierlich arbeiten. Bei kontinuierlichen Doppelband-Pressen wird das zu konsolidierende Halbzeug zwischen ein Trägersystem (z. B. PTFE-Folie, Metallband) geführt und durchläuft eine Heiz- und eine Kühlstrecke. Dabei wird die Kunststoffmatrix des Halbzeugs in der Heizstrecke aufgeschmolzen und in der Kühlstrecke wieder abgekühlt. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass nur konsolidierte Bauteile mit einem in Bezug auf die einzelnen Lagen konstanten Querschnitt hergestellt werden können.
Bei diskontinuierlichen Systemen wird das zu konsolidierende Halbzeug ebenfalls in einem Trägersystem eingepackt, aber zuerst in einer dafür vorgesehenen Station aufgeheizt und anschließend in einer nachgeschalteten Station abgekühlt.
Wie bereits beschrieben, führt die lastpfadgerechte Auslegung von zu konsolidierenden Halbzeugen jedoch vermehrt zu Lagenaufbauten mit verschiedenen Wandstärken und Wanddickensprüngen. Eine Konsolidierung ebendieser mit Doppelband-Pressen-Systeme ist sehr aufwendig, da Wanddickensprünge nur mit dem Einsatz von Matrizen dargestellt werden können. Diese müssen zusätzlich beheizt werden und das Handling ebendieser wird verkompliziert, was sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Prozesses auswirkt.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs wird durch den Einsatz von Konsolidierungspressen dargestellt. Hierbei wird ein Lagenaufbau eines zu konsolidierenden Halbzeuges unter Druck versetzt, z. B. durch zumindest zwei Werkzeugteile, zwischen denen der Lagenaufbau angeordnet ist. Diese zumindest zwei Werkzeugteile sind zumeist vorgewärmt, sodass der Kunststoff-Werkstoff aufgeschmolzen wird und durch Verbindung der einzelnen Lagen untereinander ein konsolidiertes Halbzeug hergestellt werden kann. Nachteilig dabei ist jedoch, dass in einem Nebenprozess die Werkzeugteile zur Konsolidierung erwärmt werden müssen und anschließend zur Abkühlung des zu konsolidierenden Halbzeugs wieder gekühlt werden müssen. Dabei werden hohe Energieverluste in Kauf genommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gegenüber dem Stand der Technik vereinfachtes und energieeffizienteres Verfahren zum Herstellen eines konsolidierten Halbzeugs zu schaffen.
Dies wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagigen konsolidierten Halbzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug wird auch als Lagenaufbau bezeichnet. Ein solches mehrlagiges, zu konsolidierendes Halbzeug besteht in der Regel aus mindestens zwei Lagen und kann vorzugsweise bis zu 30 Lagen aufweisen. Für diese Lagen können beispielsweise Tapes oder auch faserverstärkte Bänder verwendet werden. Als Anordnungsbereich für das zu konsolidierende Halbzeug wird jener Bereich der Vorrichtung angesehen, welcher vorgesehen ist, um das zu konsolidierende Halbzeug während der Konsolidierung aufzunehmen.
Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass alle zu konsolidierende Komponenten und/oder Lagen, welche in späterer Folge das konsolidierte Halbzeug darstellen, als Ganzes gleichzeitig (genauer gesagt: innerhalb eines Verfahrensschrittes) konsolidiert werden.
Durch das erfindungsgemäße Bereitstellen einer für die Erhitzung erforderlichen Wärmeenergie mittels Strahlungsenergie an das zu konsolidierende Halbzeug zum Verbinden der unterschiedlichen Lagen des zu konsolidierenden Halbzeugs zu einem konsolidierten Halbzeug kann gezielt Wärmeenergie an das zu konsolidierende Halbzeug übermittelt werden. Durch eine solche Ausgestaltung ist es möglich, primär das zu konsolidierende Halbzeug zu erwärmen, ohne dass Energie zum Erwärmen der umliegenden Bauteile verloren geht. Es müssen nur Grenzschichten der Lagen erwärmt werden. Ggf. kann zusätzlich eine auf Wärmeleitung beruhende Beheizung vorgesehen sein. In diesem Fall müssen nur sehr dünne Wärmeleitungsschichten erwärmt werden.
Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der Druck durch wenigstens ein erstes Werkzeugteilstück und ein zweites Werkzeugteilstück, welche vorzugsweise zueinander bewegbar angeordnet sind, auf das zu konsolidierende Halbzeug ausgeübt wird. Diese können z. B. in Form einer Grund- und Gegenplatte oder in Form einer Grundplatte und einer Druckglocke ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass wenigstens eines der wenigstens zwei Werkzeugteilstücke der Vorrichtung zur Druckausübung aus einem Werkstoff mit einer hohen Transmission für die Strahlung zumindest einer Strahlungsquelle gefertigt ist, sodass Strahlungsenergie durch wenigstens eines der wenigstens zwei Werkzeugteilstücke an das zu konsolidierende Halbzeug geleitet wird. So kann während der Ausübung des Konsolidierungsdrucks auf das zu konsolidierende Halbzeug dieses mittels Wärmestrahlung erhitzt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein jedes der wenigstens zwei Werkzeugteile aus einem Werkstoff mit einer hohen Transmission für die Strahlung der zumindest einen Strahlungsquellen gefertigt ist. Besonders bevorzugte Werkstoffe sind hierbei Gläser, Quarzgläser oder auch Durangläser. Die wesentlichen Anforderungen an einen solchen Werkstoff sind dabei eine gewisse Druckstabilität und eine gewisse Transparenz für die Wärmestrahlung.
Es kann vorgesehen sein, dass eine an das zu konsolidierende Halbzeug angrenzende Schicht durch Strahlungsenergie erwärmt wird und dass durch Wärmeleitung das zu konsolidierende Halbzeug von der angrenzenden Schicht erwärmt wird. So ist es beispielsweise möglich, dass an zumindest einem Werkzeugteilstück ein - vorzugsweise Antihaft-Eigenschaften aufweisendes - Substrat (Antihaftschicht) ausgebildet ist. Die Antihaftschicht kann dabei durch die Strahlungsenergie erwärmt werden, sodass sie mittels Wärmeleitung das zu konsolidierende Halbzeug beheizt.
Allgemein gesagt, kann vorgesehen sein, dass das Bereitstellen einer für das Erhitzen erforderlichen Wärmeenergie mittels Strahlungsenergie durch unmittelbare Bestrahlung des zu konsolidierenden Halbzeugs oder mittelbar durch Bestrahlung einer zwischen dem zu konsolidierenden Halbzeug und einer die Strahlungsenergie emittierenden Strahlungsquelle angeordneten Schicht oder Platte erfolgt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Strahlungsenergie mittels Infrarotstrahler erzeugt wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Strahlungsenergie mittels eines Lasers, bevorzugt eines Festkörperlasers erzeugt wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der Druck durch Aufbau eines Überdruckes im Inneren einer Druckglocke auf das auf einer Grundplatte angeordnete zu konsolidierende Halbzeug ausgeübt wird, z. B. mittels einer Überdruckleitung, insbesondere mittels Druckluft oder Inertgas.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zu konsolidierende Halbzeug - vorzugsweise durch eine Membran oder eine Dichtung - zumindest im Wesentlichen luftdicht abgeschlossen wird und ein Über- oder Unterdruck auf das zu konsolidierende Halbzeug ausgeübt wird. Eine solche Membran kann als anformbare/flexible Folie ausgeführt sein. Durch den Einsatz von Unterdruck können Lufteinschlüsse zwischen den einzelnen Lagen des zu konsolidierenden Halbzeugs vermindert werden. Als Quelle des Unterdruckes kann hierbei eine Vakuumleitung, beispielsweise mit angeschlossenem Unterdrucktank, oder Unterdruckpumpe, dienen. In einer besonders bevorzugten Variante sind die Gegen- bzw. die Grundplatte so gefertigt, dass der für die Aufnahme des zu konsolidierenden Halbzeugs gedachte Innenraum (Anordnungsbereich) luftdicht abschließbar ist. Dies kann z.B. durch eine umlaufende Dichtung aus einem vorzugsweise elastischen Material (Silikon, Viton,...) unterstützt werden.
Die Membran ist vorzugsweise transparent für die Strahlung der Strahlungsquelle ausgeführt, sodass das zu konsolidierende Halbzeug durch die Membran hindurch bestrahlt und somit erwärmt werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform kann jedoch auch ein Material für die Membran verwendet werden, welches die Strahlung absorbiert und mittels Wärmeleitung die Wärmeenergie an das zu konsolidierende Halbzeug abgibt. So wird zwar wiederum Wärmeenergie an ein unmittelbar zum zu konsolidierenden Halbzeug angeordnetes Bauteil abgegeben, jedoch ist hierbei die verlorene Wärmeenergie nahezu vernachlässigbar, da eine Membran durch ihre geringe Dicke ein geringes Vermögen besitzt Wärme zu speichern bzw. es wenig Energie erfordert, um diese zu erwärmen bzw. abzukühlen. Es ist auch denkbar, dass an der Membran eine Schicht angebracht ist, welche Strahlung absorbiert und eine Antihaft-Eigenschaft aufweist. Auch das Material aus welchem die Membran besteht kann seinerseits bereits Antihaft-Eigenschaften aufweisen. So kann einerseits durch die Strahlungsenergie Wärme erzeugt werden, welche mittels Wärmeleitung an das zu konsolidierende Halbzeug weitergegeben werden kann und andererseits kann gewährleistet werden, dass das zu konsolidierende Halbzeug nach Bearbeitung mühelos von der Membran trennbar ist, da das zu konsolidierende Halbzeug eine nicht-haftende Eigenschaft gegenüber der Antihaftschicht der Membran besitzt.
Sowohl Grund- als auch Gegenplatte können mit Anschlüssen und Leitungen zur Medientemperierung versehen werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Gegenplatte als Membran oder Folie ausgeführt ist. Wird die Gegenplatte als Membran ausgeführt, kann die Vorrichtung zur Herstellung des konsolidierten Halbzeugs optional auch eine über der Gegenplatte angeordnete Temperierplatte beinhalten, welche die Geometrie des zu konsolidierenden Halbzeugs inklusive der Membran abbildet. Diese ist vorzugsweise aus einem Werkstoff, welcher eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, gefertigt und vorzugsweise aktiv temperierbar.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann z. B. wie folgt ausgebildet sein:
Das zu konsolidierende Halbzeug kann auf einer infrarottransparenten Grundplatte abgelegt werden. Unter „infrarottransparent“ sind dabei Werkstoffe zu verstehen welche im Strahlenspektrum einer Infrarotstrahlungsquelle eine möglichst hohe Transmissionsfähigkeit besitzen.
Unterhalb der Grundplatte sind eine oder mehrere Strahlungsquellen angeordnet, welche Infrarotstrahlung durch die Grundplatte auf das zu konsolidierende Halbzeug emittieren können, um es auf diese Weise zu beheizen. Die Strahlungsquellen sind so gewählt, dass die von ihnen emittierte Strahlung vom zu konsolidierenden Halbzeug absorbiert wird, allerdings nur in möglichst geringem Ausmaß von der Grundplatte.
Die Grundplatte ist mit einem Substrat beschichtet, welches Antihaft-Eigenschaften besitzt, sodass sich das zu konsolidierende Halbzeug nach dem Abkühlen leichter ablösen lässt. Diese Schicht muss nicht infrarottransparent sein, sie kann auch als beheizte Grenzschicht genutzt werden. Somit wird je nach bevorzugter Lösung das Halbzeug hauptsächlich unmittelbar mittels Wärmestrahlung oder mittelbar mittels Wärmeleitung beheizt.
Sind im Halbzeug Wanddickensprünge vorhanden, so befindet sich vorzugsweise auf der Grundplatte zusätzlich eine Schicht welche diese Geometrie abbildet. Dabei ist diese Schicht derart ausgeführt, dass die der oder den Strahlungsquelle(n) zugewandte Seite Infrarotstrahlen in hohem Maße absorbiert, jedoch eine geringe thermische Masse aufweist um eine energieeffiziente Beheizung zu ermöglichen.
Es kann auch vorzugsweise vorgesehen sein, dass zum Ausgleichen von Dickensprüngen des mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeuges zumindest ein Dickenausgleichselement vorgesehen ist. Ein solches Dickenausgleichselement kann als separates Bauteil ausgelegt sein, welches mit dem mehrlagigen, zu konsolidierenden Bauteil für die Konsolidierung eingebracht wird. Es ist aber auch möglich, das Dickenausgleichselement als Teil eines der Werkzeugteilstücke zu gestalten. Auch das Dickenausgleichelement kann aus einem „infrarottransparenten“ Werkstoff gefertigt werden, eine Beschichtung aufweisen, eine Antihaft-Eigenschaft aufweisen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und/oder eine geringe thermische Masse aufweisen. Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das Dickenausgleichelement gemeinsam mit einem der Werkzeugteilstücke oder getrennt von diesem verfahrbar ist.
Es ist eine Gegenplatte vorgesehen, die ebenfalls aus einem infrarottransparenten Werkstoff gefertigt sein und mit denselben Merkmalen wie die Grundplatte hergestellt sein kann. Optional werden auch oberhalb der Gegenplatte eine oder mehrere Strahlungsquelle(n) angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Gegenplatte auch als eine anformbare/flexible Folie oder Membran ausgeführt werden. Diese Folie/Membran ist vorzugsweise ebenfalls infrarottransparent ausgebildet, sodass das zu konsolidierende Halbzeug auch von der Oberseite her mittels Wärmestrahlung beheizt werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann jedoch auch ein Material verwendet werden, welches die Infrarotstrahlung absorbiert und mittels Wärmeleitung die Wärmeenergie an das zu konsolidierende Halbzeug abgibt.
Natürlich kann auch eine Kombination eingesetzt werden wie z. B. eine infrarottransparente Folie mit einer infrarotabsorbierenden Antihaftschicht.
Grundplatte und Gegenplatte sind bevorzugt axial zueinander beweglich angeordnet, sodass eine Öffnungs- und Schließbewegung durchgeführt werden kann und durch Anpressen der Konsolidierungsdruck auf ein auf der Grundplatte abgelegtes zu konsolidierendes Halbzeug aufgebracht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Grundplatte stationär und die Gegenplatte axial beweglich ausgeführt. In einer alternativen Ausführungsform ist die Gegenplatte stationär und die Grundplatte axial beweglich ausgeführt. Alternativ können auch beide Platten zueinander beweglich ausgeführt sein.
Ein Verfahren zum Konsolidieren eines Halbzeugs mit einer oben beschriebenen Vorrichtung erfolgt z. B. wie folgt:
Nachdem das zu konsolidierende Halbzeug auf der Grundplatte abgelegt wurde, werden Gegen- und Grundplatte relativ zueinander bewegt und die Vorrichtung so in den geschlossenen Zustand verfahren. Die Schließbewegung kann dabei durch Verfahren der Gegenplatte, der Grundplatte oder beider Platten erfolgen.
Vorzugsweise wird mit der Schließbewegung ein definierter Druck auf das zu konsolidierende Halbzeug ausgeübt. Dieser Druck dient der Fixierung des zu konsolidierenden Halbzeugs und weiters dem Zweck, dass die einzelnen Lagen des zu konsolidierenden Halbzeugs annähernd vollflächig in Kontakt zueinander stehen. Dieser Druck kann so weit erhöht werden, bis ein Konsolidierungsdruck erreicht wird.
Optional wird nach dem Schließen ein Unterdruck im Innenraum erzeugt, welcher einerseits den Anpressdruck regelt/steuert und weiters die Konsolidierung unterstützt. Bei der Regelung bzw. Steuerung des Anpressdrucks sind auch Kombinationen möglich, so dass sich der Anpressdruck aus einem Unterdruck und einer von außen aktiv wirkenden Kraft zusammensetzt.
Ist das zu konsolidierende Halbzeug zwischen den beiden Platten fixiert und stehen die Kontaktflächen der einzelnen Lagen zumindest teilweise in Kontakt zueinander, wird mittels Wärmestrahlung Wärmeenergie entweder direkt oder indirekt mittels Wärmeleitung in das zu konsolidierende Halbzeug eingebracht. Dies kann einseitig oder beidseitig geschehen.
Der Aufheizvorgang selbst erfolgt vorzugsweise geregelt. Dabei wird vorzugsweise optisch die Grenzflächentemperatur zwischen Grundplatte und zu konsolidierendem Halbzeug bzw. Gegenplatte und Werkzeug gemessen. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur der Wärmeleitschicht oder des zu konsolidierenden Halbzeugs selbst gemessen werden. Anhand dieser mindestens einen Temperatur findet die Regelung der mindestens einen Strahlungsquelle statt. Vorzugsweise wird die Temperatur an mehreren Stellen gemessen und die Strahlungsquelle(n) wird bzw. werden von mehreren Regelkreisen geregelt.
Die Regeltemperatur ist vom Material der Kunststoffmatrix des zu konsolidierenden Halbzeugs abhängig und befindet sich oberhalb der Kunststofferweichungstemperatur des Kunststoffes. Besonders bevorzugt ist eine Regeltemperatur, welche über dem Schmelzpunkt des Kunststoffs liegt. Nach Erreichen der Regeltemperatur wird die Temperatur noch eine gewisse Zeit gehalten. Diese Zeit ist einstellbar und abhängig von der Dicke des zu konsolidierenden Halbzeugs.
Nachdem die thermoplastische Matrix des zu konsolidierenden Halbzeugs zumindest teilweise aufgeschmolzen wurde, wird dieses soweit abgekühlt, dass es formstabil und somit entformbar ist. Beim Einsatz einer aktiven Kühlung findet das Einbringen der Kühlleistung bevorzugt einseitig statt und kann dabei je nach Ausführungsform der Vorrichtung auf verschiedene Weise durchgeführt werden:
Sind Grundplatte und Gegenplatte formstabil ausgeführt, so können diese selbst genutzt werden um das Halbzeug abzukühlen. Um die Wärmeabfuhr zu unterstützen können diese auch aktiv gekühlt werden.
In einer weiteren Variante wird als Gegenplatte nur eine Folie/Membran ausgeführt. Diese Seite kann mittels Konvektionsunterstützung (z. B. Gebläse) aktiv gekühlt werden.
Wird als Gegenplatte eine Folie oder eine Membran verwendet, so kann zur Kühlung eine separate Temperierplatte aufgesetzt werden.
Diese Temperierplatte kann die Geometrie des Halbzeugs plus der Wandstärke der Folie/Membran enthalten. Die Temperierplatte wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, welches eine sehr gute Wärmeleitung besitzt, damit die Wärmeenergie dem Halbzeug schnell entzogen werden kann. Zusätzlich kann diese Platte aktiv temperiert werden. Bei dieser bevorzugten Variante wird die Wärmeenergie somit hauptsächlich von der Temperierplatte aufgenommen. Da in diesem Fall die Temperierplatte eine höhere Wärmemenge als die Grundplatte aufnimmt, kann hier von einer einseitigen Kühlung gesprochen werden.
Während des Abkühlens sollte zusätzlich ein Druck auf das Halbzeug ausgeübt werden. Dieser Druck ist vorzugsweise regelbar.
Ist eine definierte Temperatur erreicht, kann der Druck gelöst werden. Die Öffnungsbewegung kann dabei durch Verfahren der Gegenplatte, der Grundplatte oder beider erfolgen.
Das fertig konsolidierte Halbzeug kann entnommen werden und ein neues, noch nicht konsolidiertes Halbzeug wird abgelegt.
Die zumindest eine Strahlungsquelle kann verfahrbar angeordnet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren sowie der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Darin zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs, wobei eine Membran als Gegenplatte verwendet wird,
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs mit aktiver Kühlvorrichtung,
3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs mit starrer Grund- und Gegenplatte sowie beidseitiger Beheizung, und
4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs verschiedenen Wanddicken.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs 5 zu erkennen. Dabei wird ein mehrlagiges, zu konsolidierendes Halbzeugs 1 auf einer Grundplatte 2 angeordnet. Um auf das zu konsolidierende Halbzeug 1 einen Druck auszüben, wird über das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug 1 eine Membran 3 gelegt. Indem beispielsweise durch nicht dargestellte Mittel ein Unterdruck zwischen Membran 3 und Grundplatte 2 erzeugt wird, kommt es zu einer Druckkraft auf das zu konsolidierende Halbzeug 1. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Membran 3 starr ausgeführt ist und durch diese eine Kraft auf das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug 1 ausgeübt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist somit der Bereich zwischen der Membran 3 und der Grundplatte 2 (fungiert hier als erstes Werkzeugteilstück) als Anordnungsbereich für das zu konsolidierende Halbzeug 1 anzusehen. Die Membran 3 fungiert hier als zweites Werkzeugteilstück und Gegenplatte.
Durch die Strahlungsquellen 4 ist Strahlungsenergie unmittelbar oder mittelbar in das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug 1 einbringbar. Es kann vorgesehen sein, dass die Grundplatte 2 aus einem Glaswerkstoff, einem Duranglas oder einem Quarzglas gefertigt ist, sodass sie eine hohe Transmission für die Strahlungsenergie, welche durch die unterhalb der Grundplatte 2 angeordnete Strahlungsquelle 4 erzeugt wird, aufweist. Die Strahlungsenergie, welche durch die unterhalb der Grundplatte 2 angeordnete Strahlungsquelle 4 erzeugt wird, kann also direkt von unten kommend das zu konsolidierende Halbzeug 1 bestrahlen und dadurch dieses erwärmen. Die Strahlungsquellen 4 können in Bezug auf das zu konsolidierende Halbzeug 1 bewegbar angeordnet sein.
Es ist möglich, dass die Membran 3 aus einem Werkstoff mit einer hohen Transmission für die Strahlungsenergie gefertigt ist, welche durch die Strahlungsquelle 4 erzeugt wird. So kann auch von oben her das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug 1 unmittelbar durch die Strahlungsenergie erwärmt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Membran 3 aus einem Werkstoff gefertigt ist, welcher keine oder keine hohe Transmission für die Strahlungsenergie aufweist. Dann wird die Membran 3 selbst durch die Strahlungsenergie erhitzt und kann durch Wärmeleitfähigkeit diese Wärmeenergie an das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug 1 weitergeben (mittelbare Beheizung).
Die 2 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeuges 5 (wie in 1 ausgebildet) nach der Erhitzung während des Abkühlens. Dabei kann auf das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug 1 eine Temperierplatte 6 aufgesetzt werden. Es kann vorgesehen sein, dass das zu konsolidierende Halbzeug 1 lediglich durch die beim Aufsetzen vorliegende Temperatur der Temperierplatte 6 gekühlt wird. Die Temperierplatte 6 kann zusätzlich innen oder außen durch ein Kühlmedium gekühlt werden. Des Weiteren kann auch vorgesehen sein, dass das zu konsolidierende Halbzeug 1, die Temperierplatte 6, die Grundplatte 2 oder auch die Membran 3 durch eine Luftkühlung gekühlt werden.
In 3 ist eine weitere Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten mehrlagigen Halbzeuges 5 gezeigt. Wiederum wird hier ein mehrlagiges, zu konsolidierendes Halbzeug 1 auf einer Grundplatte 2 angeordnet. Die Grundplatte 2 ist aus einem Werkstoff mit einer hohen Transmission für Strahlungsenergie gefertigt, wodurch es ermöglicht wird, dass Strahlungsenergie - erzeugt durch die Strahlungsquellen 4 - unmittelbar an das zu konsolidierende Halbzeug 1 gelangt.
In diesem Ausführungsbeispiel wird der Druck auf das zu konsolidierende Halbzeug 1 durch eine Gegenplatte 7 (fungiert als zweites Werkzeugteilstück) ausgeübt, welche relativ zur Grundplatte 2 bewegbar ist. Auch die Gegenplatte 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Werkstoff mit einer hohen Transmission für Strahlungsenergie gefertigt, wodurch es gestattet wird, dass durch die Strahlungsquelle 4 erzeugte Strahlungsenergie durch die Gegenplatte 7 hindurch auf das zu konsolidierende Halbzeug 1 trifft und dieses unmittelbar erwärmen kann. Die Grundplatte 2 kann wie gezeigt durch Querstreben 8 gestützt werden. Hierdurch wird eine höhere Druckbelastung der Grundplatte 2 gestattet. Zwischen Grundplatte 2 und Gegenplatte 7 können Dichtungen 9 angeordnet sein. Diese Dichtungen 9 sind ringsum um das zu konsolidierende Halbzeug 1 zwischen Gegenplatte 7 und Grundplatte 2 angeordnet (hier in Form einer einzigen umlaufenden Dichtung 9), sodass eine im Wesentlichen luftdichte Abdichtung des Aufnahmebereichs für das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug 1 möglich ist. Es kann auch hier, wie in 1, ein Unterdruck erzeugt werden, welcher einen zusätzlichen Druckaufbau auf das zu konsolidierende Halbzeug 1 gestattet.
4 zeigt im Wesentlichen dieselbe Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs 5 wie die 3, jedoch sind hier zusätzlich Dickenausgleichselemente 10 vorgesehen. Die Dickenausgleichselemente 10 werden eingelegt, um diesen Dickensprung des zu konsolidierenden Halbzeugs 1 in Bezug auf die Gegenplatte 7 oder die Grundplatte 2 zu kompensieren. Bevorzugt sind die Dickenausgleichselemente 10 jedoch Teil der Werkzeugteilstücke. Die Dickenausgleichselemente 10 können aus einem Werkstoff mit einer hohen Transmission gefertigt sein. Sie können auch aus einem Werkstoff mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit gefertigt werden, sodass sie die durch die Strahlungsquelle 4 erzeugte Strahlungsenergie in Wärme umwandeln und durch Wärmeleitfähigkeit an das zu konsolidierende Halbzeug 1 weiterleiten.
Bezugszeichenliste

1: mehrlagiges, zu konsolidierendes Halbzeug
2: Grundplatte
3: Membran
4: Strahlungsquelle
5: konsolidiertes mehrlagiges Halbzeug
6: Temperierplatte
7: Gegenplatte
8: Querstreben
9: Dichtung
10: Dickenausgleichselement

Claims

Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten mehrlagigen Halbzeugs (5) mit zumindest folgenden Schritten: - Bereitstellen eines mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeugs (1), wobei wenigstens eine Lage des zu konsolidierenden Halbzeugs (1) eine thermoplastische Kunststoffmatrix aufweist - Aufbringen eines Drucks auf das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug (1) zum Konsolidieren des zu konsolidierenden Halbzeugs (1) - Erhitzen des mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeugs (1) auf eine zur Konsolidierung geeignete Temperatur über die Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffmatrix - Abkühlen des mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeugs (1) auf eine Temperatur unterhalb der Erweichungstemperatur der thermoplastischen Kunststoffmatrix, bei welcher die Kunststoffmatrix formstabil ist - Entnahme des konsolidierten mehrlagigen Halbzeugs (5) dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereitstellen einer für das Erhitzen erforderlichen Wärmeenergie mittels Strahlungsenergie erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach Anspruch 1, wobei der Druck durch wenigstens ein erstes Werkzeugteilstück und ein zweites Werkzeugteilstück, welche vorzugsweise zueinander bewegbar angeordnet sind, auf das zu konsolidierende Halbzeug (1) ausgeübt wird.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei wenigstens ein Werkzeugteilstück aus einem Werkstoff mit einer hohen Transmission für die verwendete Strahlungsenergie gefertigt ist, sodass die Strahlungsenergie durch das wenigstens eine Werkzeugteilstück an das zu konsolidierende Halbzeug (1) geleitet wird.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Bereitstellen einer für das Erhitzen erforderlichen Wärmeenergie mittels Strahlungsenergie durch unmittelbare Bestrahlung des zu konsolidierenden Halbzeugs (1) oder mittelbar durch Bestrahlung einer zwischen dem zu konsolidierenden Halbzeug (1) und einer die Strahlungsenergie emittierenden Strahlungsquelle (4) angeordneten Schicht oder Platte erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Strahlungsenergie mittels Infrarotstrahler erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Strahlungsenergie mittels eines Lasers, bevorzugt eines Festkörperlasers, erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Druck auf das zu konsolidierende Halbzeug (1) durch Aufbau eines Überdrucks im Inneren einer Druckglocke ausgeübt wird, welche ggf. als erstes oder zweites Werkzeugteilstück verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zu konsolidierende Halbzeug (1) - vorzugsweise durch eine Membran (3) oder wenigstens eine Dichtung (9) - zumindest im Wesentlichen luftdicht abgeschlossen wird und mittels eines Aufbaus eines Über- oder Unterdrucks ein Druck auf das zu konsolidierende Halbzeug (1) ausgeübt wird.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zu konsolidierende Halbzeug (1) nach dem Erhitzen und der Beaufschlagung mit Druck aktiv gekühlt wird.
Verfahren zur Herstellung eines konsolidierten Halbzeugs (5) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zum Ausgleichen von Dickensprüngen des mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeuges (1) zumindest ein Dickenausgleichselement (10) verwendet wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines konsolidierten mehrlagigen Halbzeugs (5), insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein konsolidiertes mehrlagiges Halbzeug (5) aus einem mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeug (1) unter Zufuhr von Druck und Wärme gefertigt wird, wobei die Vorrichtung aufweist: - wenigstens eine Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung mit einem ersten und einem zweiten Werkzeugteilstück, zwischen denen das zu konsolidierende Halbzeug (1) in einem Anordnungsbereich anordenbar ist - wenigstens eine Vorrichtung zur Wärmebeaufschlagung des zu konsolidierenden Halbzeugs (1) dadurch gekennzeichnet, dass eine flache Grundplatte (2) vorgesehen ist, auf deren einen Seite als Vorrichtung zur Wärmebeaufschlagung zumindest eine Strahlungsquelle (4) angeordnet ist und auf deren anderen Seite das mehrlagige, zu konsolidierende Halbzeug (1) im Anordnungsbereich anordenbar ist, wobei die Grundplatte (2) zumindest teilweise transparent für die Strahlung der zumindest einen Strahlungsquelle (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Grundplatte (2) mit einem - vorzugsweise Antihaft-Eigenschaften aufweisenden - Substrat beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Grundplatte (2) Teil der Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung ist und die Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung zusätzlich eine Gegenplatte (7) aufweist und das zu konsolidierende Halbzeug (1) zwischen Grundplatte (2) und Gegenplatte (7) anordenbar ist, wobei Grundplatte (2) und Gegenplatte (7) zur Druckbeaufschlagung aneinander bewegbar sind.
Vorrichtung nach dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Grundplatte (2) als erstes oder zweites Werkzeugteilstück ausgebildet ist und die Gegenplatte (7) als zweites oder erstes Werkzeugteilstück ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Anordnungsbereich für das zu konsolidierende Halbzeug (1) - vorzugsweise durch eine Membran (3) oder wenigstens eine Dichtung (9) - zumindest im Wesentlichen luftdicht abschließbar ist.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei mittels einer Quelle für Über- oder Unterdruck ein Über- oder Unterdruck auf das zu konsolidierende Halbzeug (1) ausübbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei auf jener Seite der Gegenplatte (7), welche im Betrieb vom zu konsolidierenden Halbzeug (1) abgewandt ist, zumindest eine weitere Strahlungsquelle (4) angeordnet ist und die Gegenplatte (7) zumindest teilweise transparent für die Strahlung der zumindest einen weiteren Strahlungsquelle (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste oder zweite Werkzeugteilstück in Form einer Druckglocke aufgebaut ist, mittels welcher der Druck auf das zu konsolidierende Halbzeug (1) durch Aufbau eines Überdrucks in derem Inneren erzeugbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des konsolidierten Halbzeugs (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zum Ausgleichen von Dickensprüngen des mehrlagigen, zu konsolidierenden Halbzeuges (1) zumindest ein Dickenausgleichselement (10) vorgesehen ist.