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Die vorliegende Erfindung betrifft ein bahnförmiges flexibles Zwischenprodukt für die Herstellung eines faserverstärkten Verbundstoffes, der seinerseits insbesondere der Produktion von Formen/Werkzeugen zur Herstellung von Compositestrukturen dient. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des bahnförmigen flexiblen Zwischenprodukts.
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Es ist bereits eine Vielzahl von Vorschlägen für so genannte Halbzeuge zur Herstellung von Compositestrukturen unterbreitet worden. Derartige Halbzeuge bestehen in der Regel aus einer Matrix aus einem Harz und einem Härter sowie eingelagerter Faser- beziehungsweise Textilstrukturen aus überwiegend Carbon- oder Glasfasern, die der späteren Compositestruktur ihre Stabilität verleihen sollen. Das Harz der Halbzeuge, die meist als Prepregs bezeichnet werden, ist zunächst noch ungehärtet, gegebenenfalls teilvernetzt und in einem bestimmten Ausmaß flexibel, solange Harz und Härter nicht miteinander reagiert haben und eine Kettenreaktion eingesetzt hat. Ist jedoch dieser Reaktionsprozess gestartet, ist es kaum noch möglich, dem Prepreg in einem folgenden Formungsprozess seine endgültige Gebrauchsform zu geben. Um den vorzeitigen Start des Reaktionsprozesses zu verhindern, ist das Halbzeug sehr kühl, meist bei Temperaturen von ca. -20 °C zu lagern. Das ist sehr aufwändig, erfordert einen hohen Investitionsaufwand, insbesondere wenn der Ort der Weiterverarbeitung des Halbzeuges von seinem Herstellungsort verschieden ist. Außerdem ist die Handhabung derartiger Halbzeuge vor allem auf Grund ihrer Konsistenz und ihres Gewichts nicht unproblematisch.
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Alternativ werden Textilstrukturen wie Gewebe, Gewirke oder Vliese trocken dem Prozess der Erzeugung der Verbundstruktur zugeführt, wie es beispielsweise in der
DE 10 2014 119 160 A1 als eine Variante beschrieben ist, wonach das Harz vorzugsweise mittels Infusionsverfahren einer Form zugeführt wird und sich mit der Textilstruktur zu einem Verbund vereint, der dann vor Ort geformt und in der Regel mittels Hochtemperatureinwirkung in einem Autoklaven gehärtet wird. Allerdings sind für eine solche Anwendung auch Harze bekannt, für deren Härtung ein Autoklav nicht benötigt wird.
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Die Fäden der Textilstrukturen sind auf Grund der wechselseitigen Fadenablage onduliert und generell anisotrop angeordnet, wobei sie in der Regel bestimmten Kraftverlaufslinien im Fertigprodukt folgen sollen. Endlosfadengelege weisen ebenso eine solch anisotrope Struktur auf. Bei einer trockenen Vliesstruktur hingegen sind die Fasern oder Endlosfäden durch die mechanische Vliesverfestigung dreidimensional und stark gekrümmt angeordnet, was der Stabilität der Compositestruktur abträglich ist.
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Vor allem bei aus einem Faserverbundstoff gefertigten Modellen und Werkzeugen für die Compositebauteilfertigung ist auf Grund von prozessbedingten dynamischen Temperaturvariationen möglichst kein, zumindest aber ein sehr geringes und vor allem in allen Richtungen gleiches Schwund - und Dehnverhalten erwünscht. Dabei stört eine anisotrope Faden-respektive Faseranordnung bei Geweben, Gewirken oder Endlosfadengelegen ebenso wie die gekrümmte Faseranordnung, die auch in Vliesen vorherrscht.
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Durch die
WO 2004/030897 A1 sowie die
WO 2004/030906 A1 ist es bekannt, von einer mit einem Harz getränkten Bahn, in der die Fäden unidirektional ausgerichtet sind, so genannte Patches durch Splitten und Querschneiden abzutrennen, diese einer Trommel zuzuführen, die der Erzeugung einer zufälligen Orientierung der Patches dient und diese dann auf einem Band abzulegen, wo das Harz der Patches aktiviert wird und von wo sie mittels eines Saugroboters wieder aufgenommen und der weiteren Behandlung in einer Formmulde zugeführt werden sollen, die der Formung des Fertigproduktes dient.
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Durch die
EP 916 477 B2 ist es ebenfalls bekannt, im Wesentlichen rechteckige Patches aus einer wärmehärtenden thermoplastischen Matrix mit eingebundenen parallelen Fasern auszuschneiden, diese dann dreidimensional zu orientieren und miteinander zu verwickeln, um daraus anschließend einen dreidimensionalen Druckguss zu erzeugen. Dabei wird zwar eine weitgehend isotrope Struktur erzeugt. Die Patches weisen aber auch hier eine Ondulation mit den bekannten Nachteilen auf.
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Auch die
DE 601 05 338 T3 beschreibt das Herstellen und Verarbeiten von Patches aus einer wärmehärtenden thermoplastischen Matrix mit eingebundenen parallelen Fasern. Die Patches werden nach dem Ausschneiden flächig mit isotroper Orientierung abgelegt, wobei die hier bei Raumtemperatur noch klebrige Epoxitharzmatrix dafür sorgt, dass die Überlappungsflächen der Patches miteinander verkleben. Hierbei ist jedoch dafür Sorge zu tragen, dass eine sehr genaue Temperaturführung gewährleistet ist, um den Polymerisierungsprozess des Harzes nicht so weit voranschreiten zu lassen, dass die weitere Handhabung des Verbundstoff-Zwischenprodukts behindert oder gar unmöglich wird.
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Schließlich beschreibt die
EP 3 013 546 B1 die Herstellung einer diskontinuierlichen Faser-Formmasse, die aus geschnittenen Kohlenstofffasersträngen aus aufgespulten Resten aus textilen Herstellungsprozessen erzeugt wird, an die ein pulverförmiges wärmehärtbares Harz mittels elektrostatischer Anziehung angelagert wird. Diese Faser-Formmasse wird anschließend einer erhöhten Temperatur ausgesetzt, wobei die Harzpartikel teilweise so weit schmelzen, dass sie sich mit der Oberfläche der Kohlenstofffaserstränge klebend verbinden. Durch anschließendes Abkühlen verlieren die Harzpartikel wieder ihre Klebereigenschaft, so dass sie danach nicht miteinander oder anderen Kohlenstofffasersträngen verkleben können. Die Faser-Formmasse ist deshalb schüttbar und kann in einem späteren Prozess zur Herstellung eines beliebigen räumlichen Compositeprodukts Verwendung finden. Auch hier ist die Temperaturführung sehr genau einzuhalten, um ein vorzeitiges Vernetzen durch Verkleben der Faser-Formmasse sowie ein zu weites Fortschreiten des Polymerisationsprozesses der Harzpartikel zu vermeiden. Da die Harzpartikel nur punktuell an den Kohlenstofffasersträngen angelagert sein sollen, tragen sie nicht zur Steifigkeit der Kohlenstofffaserstränge bei, die sich deshalb innerhalb der Faser-Formmasse beliebig verwinden können, das heißt ihre gestreckte Form verlieren, was zu den genannten nachteiliegen Eigenschaften führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bahnförmiges flexibles Zwischenprodukt für die Herstellung eines faserverstärkten Verbundstoffes sowie ein Verfahren zu seiner kostengünstigen Herstellung vorzuschlagen, wobei das bahnförmige flexible Zwischenprodukt unkompliziert handhabbar und insbesondere für die Herstellung von aus einem faserverstärkten Verbundstoff bestehenden Modellen oder Werkzeugen für die Compositebauteilfertigung geeignet sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die als Verstärkungsfasern des faserverstärkten Verbundstoffes vorgesehenen Fasern als ungekrümmte Rovingabschnitte in einer isotropen Anordnung im Zwischenprodukt vorliegen und mittels gleichmäßig verteilter Bindepunkte eines Binders einen losen Verbund miteinander bilden und dass die Bindepunkte die Fasern wenigstens so aneinander binden, dass das Zwischenprodukt transportiert und gehandhabt werden kann. Das bedeutet auch, dass Anzahl, Größe und Bindekraft der Bindepunkte nicht größer sein müssen, als für Transport und Handhabung des Zwischenprodukts unbedingt erforderlich ist.
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Dadurch können beim späteren, meist örtlich getrennten Drapiervorgang, wenn der Verbundstoff seine gewünschte Form erhält, die Bindepunkte auch mehr oder weniger aufgebrochen werden.
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Die Materialkosten des erfindungsgemäßen Zwischenprodukts bestehen im Wesentlichen aus den Kosten der Rovinge, da der Binderanteil nicht nur gering ist, sondern auch an dessen Auswahl keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Das ermöglicht den Einsatz einer Vielzahl verfügbarer Binder. Das Zwischenprodukt enthält keine Harzmatrix, in die die Fasern eingebettet sind, wie es von Prepregs bekannt ist, so dass der Binder lediglich kompatibel zu dem Harz sein muss, das in dem nachgelagerten Prozess vor Ort bei der Herstellung des faserverstärkten Verbundstoffs einer Mulde zum Beispiel durch Harzinfusion zugeführt wird. Erst dort wird die Faser-Harzmatrix generiert, die dann durch Hochtemperaturbehandlung oder durch exotherme Reaktion aushärtet. Der Binder für das Zwischenprodukt kann hingegen so ausgewählt werden, dass keine besonderen Anforderungen an die Temperaturführung bei der Herstellung und dem Transport des erfindungsgemäßen Zwischenprodukts gestellt werden müssen. Auch an die Klebeeigenschaften des Binders werden keine besonderen Anforderungen gestellt, da dessen Aufgabe lediglich darin besteht, für einen solchen Zusammenhalt der Bahn des Zwischenprodukts zu sorgen, dass deren Transport und Handhabung bis zum nächsten Verfahrensschritt, der Erzeugung des faserverstärkten Verbundstoffes, ohne Verlust des Verbundes gewährleistet ist. Der durch die Bindepunkte erzeugte lose Verbund behindert auch nicht den späteren Drapierprozess.
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Die ungekrümmte und gleichzeitig isotrope Anordnung der Rovingabschnitte sorgt vor allem bei aus einem Faserverbundstoff gefertigten Modellen und Werkzeugen für die Compositebauteilfertigung dafür, dass bei im Gebrauch der Modelle und Werkzeuge auftretenden prozessbedingten dynamischen Temperaturvariationen kein, zumindest aber nur ein sehr geringes und vor allem in allen Richtungen gleiches Schwund - und Dehnverhalten auftritt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Binder so gewählt, dass er nach dem Abbinden seine Konsistenz bei Umgebungstemperaturen, mindestens im Temperaturbereich zwischen 10°C und 60°C, nicht ändert. Das bedeutet, dass bei der Handhabung des erfindungsgemäßen Zwischenprodukts keine Temperaturlimits und unerwünschte Schwundeffekte zu beachten sind.
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Der Binder sollte vorteilhafterweise einen Massenanteil im Zwischenprodukt von 8% nicht übersteigen. Dadurch bleibt trotz abgebundenem Binder die Drapierbarkeit erhalten.
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Der Binder kann vorteilhaft aus einer vor der Ablage der Fasern auf einer Fasersammeleinrichtung als Sprühnebel in den Faserfluss eingebrachten Klebeflüssigkeit bestehen, die durch Verdunstung ihre finale Bindereigenschaft entwickelt hat. Das gewährleistet einerseits eine gleichmäßige Verteilung des Binders im Zwischenprodukt und das Aushärten allein durch Verdunsten eines Lösungsmittels vereinfacht die Herstellung des Zwischenprodukts.
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Alternativ kann der Binder aus einem vor der Ablage der Fasern auf einer Fasersammeleinrichtung als Trockenpartikel in den Faserfluss eingebrachten Pulver oder Granulat bestehen, das thermisch seine Bindereigenschaft entwickelt hat. Auch ein Pulver lässt sich gleichmäßig verteilen. Die thermische Behandlung erfordert keine komplizierte Temperaturführung, da nicht auf die Limitierung des Abbindeprozesses wie zum Beispiel bei Prepregs zu achten ist.
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Es ist sinnvoll, wenn das Zwischenprodukt final senkrecht zu seiner Ausbreitung komprimiert ist, da hierdurch seine Handhabung vereinfacht wird. Außerdem wird dadurch der Zusammenhalt des Faserverbandes verbessert.
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Vorteilhaft bestehen die Rovingabschnitte aus zu Prozessbeginn von einer Roving-Endlosvorlage abgetrennten Abschnitten aus Multifilament-Kohlefaser-, Glas- oder Keramikfaserrovings. Hierbei handelt es sich um Fasern, die eine hohe Festigkeit aufweisen und dadurch später das gewünschte Schwund- und Dehnverhalten sicherstellen. Außerdem besitzen diese Fasern eine geringe Kringelneigung und legen sich im Zwischenprodukt gestreckt ab. Durch die zweidimensionale Ausbildung des Zwischenprodukts und ohne erzwungene Ondulation auf Grund eines vorgelagerten textilen Flächenbildungsprozesses wie zum Beispiel Weben, Wirken oder Flechten wird die ungekrümmte Ablage sichergestellt.
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Die Länge der Rovingabschnitte beträgt vorteilhaft 20 bis 100 mm. Kürzere Abschnitte erfüllen die Kraftaufnahmefunktion unzureichend, während längere Abschnitte beim Ablegen umklappen können, wodurch die Isotropie eingeschränkt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn beidseits des Verbundes aus punktuell verklebten Rovingabschnitten ein Vlies aufkaschiert ist, dessen Flächenmasse jeweils nicht mehr als 25% der kaschierten Mittelschicht beträgt. Dadurch ist der Verbund zusätzlich vor mechanischer Beschädigung bei dessen Handhabung geschützt.
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Das erfindungsgemäße Zwischenprodukt kann für den Transport abschließend aufgewickelt oder zu Flächenstücken, deren Größe vorteilhaft auf den späteren Gebrauch abgestimmt ist, geteilt werden. Das erfindungsgemäße Zwischenprodukt ist generell hinsichtlich seiner späteren Verwendung insbesondere bezüglich der am Ort der Formgebung und Konsolidierung eingesetzten Harzmatrix und damit auch deren Konsolidierung sehr flexibel.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des bahnförmigen flexiblen Zwischenprodukts werden Abschnitte von Verstärkungsfasern, vorzugsweise aus Multifilament-Kohlefaser-, Glas- oder Keramikfaserrovings zu Prozessbeginn von einer Endlosvorlage abgetrennt.
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Diese Abschnitte werden im freien Fall einer Transporteinrichtung zugeführt. Dann wird in den Bereich des freien Falls der Abschnitte ein Bindemittel so eingetragen, das es sich zwischen den Abschnitten gleichmäßig verteilt.
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Nach Ablage auf dem Transportmittel wird das Bindemittel zum Abbinden veranlasst und das flexible Zwischenprodukt anschließend auf eine Wickeltrommel aufgewunden oder zugeschnitten.
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Dieser Prozess läuft kontinuierlich ab und erfordert weder hohen apparativen Aufwand noch besondere Maßnahmen für die Umgebung, insbesondere die genaue Einhaltung bestimmter Umgebungstemperaturen. Dadurch, dass die Rovingabschnitte im freien Fall zur Transporteinrichtung gelangen, ohne dass durch mechanische Mischprozesse auf diese eingewirkt wird, behalten sie ihre ungekrümmte Form und kommen flach zur Ablage auf der Transporteinrichtung.
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Wird vorteilhaft die Ablage der Rovingabschnitte durch Besaugen eines perforierten Transportmittels unterstützt, trägt dies zusätzlich zu deren flacher Anordnung in ungekrümmter Form bei.
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Der Massenanteil an Binder ist auf maximal 8% begrenzt, um einen nur losen Verbund zwischen den Rovingabschnitten zu erzeugen. Das Einbringen des Binders soll auch den freien Fall der Rovingabschnitte nicht behindern.
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Alternativ wird der der noch nicht abgebundene Binder als Klebemittel in flüssiger Form mit Sprühmitteln zugeführt oder in Form von Trockenpartikeln oder Granulat. Die Bindereigenschaft wird dann nach der Ablage durch Verdunsten des Lösungsmittels oder thermisch erzielt. Beide Prozesse gestatten eine unkomplizierte Prozessführung.
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Um die Bahnform zu manifestieren, wird das bahnförmige Zwischenprodukt senkrecht zu seiner Ausbreitung komprimiert. Besonders geeignet sind hierfür Walzenpaare. Diese Walzenpaare können zusätzlich beheizt sein, um das Abbinden der Bindepunkte zu unterstützen oder insbesondere bei einem Thermoreaktionsbinder an dieser Stelle zu realisieren. Dadurch lassen sich gegebenenfalls vor- und/oder nachgelagerte Heizeinrichtungen einsparen.
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Unter- und/oder oberhalb des Verbundes kann ein dünnes Vlies aufkaschiert werden, das den Verbund zusätzlich vor mechanischer Beschädigung bei dessen Handhabung schützt.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung des erfindungsgemäßen Zwischenprodukts,
- - 2 eine alternative Ausführung der Anlage gem. 1.
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Die 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer Anlage zur Herstellung des Zwischenproduktes.
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Von einer Rovingspule 1 wird der Roving 2 über Kopf abgezogen. Möglich wäre auch ein tangentialer Abzug, wofür dann die Spule 1 rotiert werden müsste. Mit 4 ist eine Zuführwalze zum Zuführen des Rovings zu einer Schneideinrichtung 3 bezeichnet. Die geschnittenen Rovingabschnitte 5 fallen dann gemeinsam mit einem Pulvernebel aus Binderpartikeln 7, der aus einer Dosiereinheit 6 ausgeworfen und verteilt wird, durch einen Schacht auf ein Transportband 11, welches im Auftreffbereich der Rovingabschnitte 5 mittels einer Saugeinrichtung 12 besaugt ist. Dafür ist das Transportband 11 perforiert. Hierdurch wird die flache, ungekrümmte Ablage der Rovingabschnitte unterstützt. Die mattenartige isotrope Anordnung 8 der Rovingabschnitte mit dazwischen gleichmäßig verteilten pulverförmigen Binderpartikeln 7 wird mittels des Transportbandes zu einer ersten Heizeinrichtung 9 transportiert, an die sich stromab ein Druckwalzenpaar 13 anschließt, welches die Anordnung 8 verdichtet. Daran anschließend kann noch eine zweite Heizeinrichtung 10 positioniert werden, um den Abbindeprozess des Binders abzuschließen. Auch danach kann ein weiteres Druckwalzenpaar 14 folgen, welches die endgültige Verdichtung des Zwischenprodukts bewirkt. Das Zwischenprodukt kann anschließend auf eine Trommel 15 aufgewunden werden, da die Bindepunkte die Flexibilität des bahnförmigen Zwischenprodukts nicht behindern.
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In einer alternativen Ausbildung gemäß 2 wird der Roving 17 von einer Spule 16 abgezogen. Auch wenn hier nur eine Spule 16 dargestellt ist, ist es im Rahmen vorliegender Erfindung auch denkbar, mehrere Rovingspulen 16 benachbart anzuordnen und dementsprechend mehrere Rovings 17 gleichzeitig zuzuführen.
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Der Roving 17 oder die Rovinge 17 werden über die Walze 19 umgelenkt und einer Schneideinrichtung 18 zugeführt, durch die Rovingabschnitte 20 erzeugt werden, die dann durch einen Schacht auf das Förderband 23 gelangen. Alternativ ist hier eine Sprüheinrichtung 21 vorgesehen, durch die das mittels eines Lösemittels verflüssigten Binders 22 in dem Fallschacht verteilt wird, in dem die Rovingabschnitte im freien Fall auf das Förderband 23 gelangen.
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In diesem Beispiel wird stromauf des Fallschachtes von einer Trommel 25 ein Vlies 28 zugeführt, auf dem dann an der Mündung des Fallschachtes die Rovingabschnitte abgelegt werden. Von einer zweiten Trommel 26 wird ein weiteres Vlies 29 über eine Umlenkrolle 27 stromab zum Fallschacht auf der aus Rovingabschnitten und unverfestigtem Bindemittel bestehenden Matte abgelegt und gemeinsam vom Förderband 23 weitertransportiert. Die Rovingmatte mit den nun beidseitig angeordneten Vliesschichten erreicht danach ein Druckwalzenpaar 24, welches beheizt sein kann. Dadurch werden gleichzeitig das Verdunsten des Binderlösemittels und die Verdichtung des Verbundes zu dem erfindungsgemäßen Zwischenprodukt erreicht. Selbstverständlich kann auch ein pulverförmig oder aus Granulat bestehendes Bindemittel mittels beheizter Druckwalzen abgebunden werden. Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung möglich, nur einseitig ein Vlies anzuordnen.
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Im Anschluss kommt als Alternative zum Aufwickeln des erfindungsgemäßen Zwischenprodukts eine Schneideinrichtung 30 zum Einsatz, die in vorgegebenen Abständen mattenartige Zwischenprodukte begrenzter Abmessungen erzeugt, die dann zum Beispiel von einem Roboter 31 ergriffen und auf einem Stapel 32 abgelegt werden. Diese Abmessungen entsprechen dann zweckmäßigerweise den für den späteren Verwendungszweck erforderlichen Abmessungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014119160 A1 [0003]
- WO 2004/030897 A1 [0006]
- WO 2004/030906 A1 [0006]
- EP 916477 B2 [0007]
- DE 60105338 T3 [0008]
- EP 3013546 B1 [0009]
