DE102019203383A1

DE102019203383A1 - Verfahren und System zum Erzeugen eines Faservorformlings

Info

Publication number: DE102019203383A1
Application number: DE102019203383.0A
Authority: DE
Inventors: Konrad Buettner; Ignacio Lobo Casanova
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2020-09-17
Also published as: EP3938190A1; US11981092B2; WO2020182948A1; US20220143936A1; CN113631358A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings (8), wobei mindestens ein trockenes und textiles Fasermaterial (1) bereitgestellt wird (20), wobei das Fasermaterial (1) in eine Vielzahl von Einzellagen (3) konfektioniert wird (21), wobei die Vielzahl von Einzellagen (3) mit einem Binder (4) versehen wird (22), wobei die Vielzahl von Einzellagen (3) zu einem Gebinde (7) geschichtet wird (23) und wobei durch Pressen des Gebindes (7) eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geformt wird (24). Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) und eine Aktivierung des Binders (5) ein einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen (27). Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes System.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Erzeugen eines Faservorformlings gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein System zum Erzeugen eines Faservorformlings gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11.
Im Stand der Technik ist die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen in vielen technischen Bereichen bekannt. Beispielsweise werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe oftmals in der Luft- und Raumfahrttechnik oder auch in Sportgeräten eingesetzt. Ebenso ist auch die Verwendung von Glasfasern oder Aramidfasern zur Materialverstärkung bekannt. Faserverstärkte Bauteile werden dabei üblicherweise aus trockenen oder aus vorimprägnierten Faserhalbzeugen hergestellt. Bei der Verwendung von trockenen Faserhalbzeugen wird aus diesen Faserhalbzeugen in der Regel zunächst ein Faservorformling hergestellt, also ein trockenes Faserpaket, das zumindest grob bereits die spätere Form des Bauteils vorwegnimmt. Typischerweise werden die trockenen Faserhalbzeuge als textile Vorprodukte, beispielsweise Gewebe oder Gelege, konfektioniert und anschließend durch Umorientierung und Umformung des Fasergebildes in die gewünschte Form, also die Form des Faservorformlings, gebracht. Die Fixierung der Faservorformlinge kann beispielsweise mit Hilfe eines Bindersystems geschehen. Bei den verwendeten Bindersystemen handelt es sich zumeist um duromere oder thermoplastische Substanzen, die beispielsweise pulverförmig und in verhältnismäßig geringer Menge, beispielsweise im Bereich von zwei bis fünf Gewichtsprozent, auf das Faserhalbzeug aufgebracht werden und unter Temperatureinfluss bzw. durch Temperaturerhöhung aktiviert werden. Die solcherart fixierten Faservorformlinge können dann beispielsweise durch geeignete Schneidwerkzeuge vereinzelt werden. Die faserverstärkten Bauteile werden schließlich durch Tränken in einem Matrixmaterial oder durch Injektion des Matrixmaterials, beispielsweise Harz, und anschließendes Trocknen fertig gestellt.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2015 116 837 A1 eine Aktivierungsvorrichtung zur Binderaktivierung beim Herstellen eines faserverstärkten Kunststofflaminats. Die Aktivierungsvorrichtung umfasst mindestens eine Leuchtdiode, die einen Abschnitt eines Faserhalbzeugs beleuchtet und erwärmt, um so den darin enthaltenen Binder zu aktivieren.
Aus der DE 103 53 070 A1 ist eine Vorrichtung zur Binderaktivierung auf einem Faserhalbzeug durch indirektes Erwärmen von Kohlenstofffasern über eine angelegte elektrische Spannung bekannt. Dazu umfasst die Vorrichtung eine Faservorformling-Formgebungsvorrichtung zur Ausformung eines Faservorformlings aus einem trockenen, Kohlenstofffasern enthaltenden Faserhalbzeug. Mindestens zwei Elektroden sind in die Faservorformling-Formgebungsvorrichtung integriert bzw. an dieser angeordnet, um eine elektrische Spannung an zumindest einen Teil der Kohlenstofffasern des Faservorformlings anzulegen. Dadurch kann der Binder in einer vergleichsweise verkürzten Zeitspanne aktiviert werden, wodurch wiederum der Herstellungsprozess insgesamt verkürzt wird.
Die bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass sie durch die Vielzahl notwendiger, aufeinanderfolgender Prozessschritte vergleichsweise langwierig sind. Zudem sind vergleichsweise hohe Investitionskosten zur Beschaffung einer Vielzahl von benötigten Arbeitsstationen zur Durchführung der Prozessschritte erforderlich.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings, wobei mindestens ein trockenes und textiles Fasermaterial bereitgestellt wird, wobei das Fasermaterial in eine Vielzahl von Einzellagen konfektioniert wird, wobei die Vielzahl von Einzellagen mit einem Binder versehen wird, wobei die Vielzahl von Einzellagen zu einem Gebinde geschichtet wird und wobei durch Pressen des Gebindes eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geformt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und eine Aktivierung des Binders ein einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen.
Die Erfindung beschreibt also ein Verfahren, bei dem aus textilem Fasermaterial in einer Reihe von Prozessschritten ein Faservorformling erzeugt wird. Die Erfindung geht dabei von einem sog. „sequentiellen Herstellungsverfahren“ aus. Der Faservorformling ist im Stand der Technik auch als „Preform“ bekannt und stellt einen Rohling dar, der im Zuge sich an das erfindungsgemäße Verfahren anschließender Prozessschritte mit einem Matrixmaterial, wie z.B., einem Harz, zu einem faserverstärkten Bauteil fertig verarbeitet werden kann. Zunächst wird dazu das Fasermaterial üblicherweise zumindest grob konfektioniert, d.h. zumindest grob in die gewünschte spätere Form der Faservorformlinge bzw. der faserverstärkten Bauteile geschnitten, so dass eine Vielzahl von Einzellagen des Fasermaterials entsteht. Alternativ ist es auch möglich, das Fasermaterial mehrfach übereinander zu falten und erst in einem späteren Prozessschritt oder überhaupt nicht zu schneiden. Im Sinne der Erfindung wird unter dem Begriff „Konfektionieren“ daher nicht ausschließlich das Schneiden des Fasermaterials verstanden, sondern auch das gezielte Falten bzw. Legen zu einer bestimmten Form. In einem weiteren Schritt wird die Vielzahl von Einzellagen des Fasermaterials mit einem Binder versehen, der die Funktion eines Klebstoffs erfüllt und typischerweise aus einer duromeren oder thermoplastischen Substanz besteht bzw. diese umfasst. Das Versehen der Vielzahl von Einzellagen mit dem Binder kann auch erst in einem späteren Prozessschritt erfolgen oder ebenso bereits vor dem Konfektionieren des Fasermaterials erfolgen. Beide Möglichkeiten sind erfindungsgemäß gleichermaßen bevorzugt. Sofern die Einzellagen mittels Schneiden oder mittels eines anderen Trennprozesses konfektioniert wurden, werden sie dann geschichtet bzw. übereinander gelegt, so dass ein Gebinde entsteht, dass aus der Vielzahl von übereinander angeordneten Einzellagen besteht. Die Einzellagen müssen nicht zwangsläufig alle die gleiche Form aufweisen und nicht alle zwangsläufig exakt übereinander angeordnet sein. Vielmehr weisen die einzelnen Einzellagen jeweils diejenige Form auf und sind derart übereinander geschichtet, dass sie in der übereinander geschichteten Form, also als Gebinde, der Form der herzustellenden Faservorformlinge möglichst nahe kommen. Dazu kann es ggf. notwendig sein, einige Einzellagen teilweise auch nebeneinander anzuordnen. Sofern die Einzellagen mittels Falten konfektioniert wurden, entsteht das Gebinde im Sinne der Erfindung üblicherweise bereits unmittelbar beim Falten der Einzellagen. In einem weiteren Schritt wird das Gebinde in die Form der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen mechanisch gepresst, z.B. mittels einer hydraulischen Presse mit entsprechend ausgeformten Pressbacken. In einem letzten Schritt schließlich wird die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen vereinzelt, d.h. die Faservorformlinge werden jeweils einzeln von der Vielzahl von verbundenen Faservorformlingen abgelöst, z.B. mittels eines Schneidprozesses. Gleichzeitig wird der Binder aktiviert, so dass die Einzellagen untereinander mittels einer Klebwirkung verbunden werden.
Die Erfindung führt somit zum Vorteil eines kompaktierten und verkürzten Herstellungsprozesses des Faservorformlings. Der verkürzte Herstellungsprozess wiederum ermöglicht die Erhöhung der Stückzahl der erzeugten Faservorformlinge je Zeiteinheit und führt damit zu einem Kostenvorteil gegenüber bekannten Herstellungsverfahren. Zudem kann die Anzahl der meist in ihrer Anschaffung vergleichsweise kostenintensiven Arbeitsstationen reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass im gemeinsamen Prozessschritt zusätzlich durch Pressen des Gebindes die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geformt wird. Dadurch kann der bekannte Herstellungsprozess noch weiter verkürzt werden. Weiterhin können auch die Kosten zur Anschaffung der benötigten Arbeitsstationen nochmal reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Fasermaterial Kohlenstoffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern umfasst. Je nach vorgesehenem Verwendungszweck und benötigten Bauteileigenschaften wie etwa Gewichtsanforderungen, Steifigkeit bzw. Elastizität kann dabei das Fasermaterial gewählt werden. Ebenso ist es denkbar, zwei oder mehr Arten von Fasermaterialien zu kombinieren, um die gewünschten Bauteileigenschaften gezielt einzustellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vielzahl von Einzellagen vor einem Schichten zum Gebinde hinsichtlich einer Faserorientierung jeder Einzellage ausgerichtet wird. Die Orientierung kann dabei für alle Einzellagen gleich sein oder aber auch gezielt unterschiedlich sein, beispielsweise je Einzellage um 90 ° versetzt sein. Ebenso kann z.B. auch ein lagenweise fortlaufender Versatz von beispielsweise jeweils 10 ° vorgesehen sein. Da die Faserorientierung, also die Ausrichtung der Einzellagen, die Bauteileigenschaften wesentlich prägt, können diese somit wie benötigt verändert und eingestellt werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Faserorientierung einer Mehrzahl von Einzellagen entlang einer Hauptbelastungsrichtung des Bauteils ausgerichtet wird. Somit ist das Bauteil entlang seiner Hauptbelastungsrichtung besonders belastbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Aktivierung des Binders durch Wärmezufuhr erfolgt. Diese Art der Binderaktivierung eignet sich besonders für Binder, welche duromere oder thermoplastische Substanzen enthalten oder vollständig aus diesen bestehen. Zudem ist Wärme vergleichsweise leicht erzeugbar und kann dem Gebinde bzw. den Einzellagen auf viele unterschiedliche Arten zugeführt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmezufuhr mittels Ultraschall und/oder mittels Wärmeleitung erfolgt. Diese Möglichkeiten der Wärmezufuhr bieten dabei unterschiedliche Vorteile und können je nach Form bzw. Material des herzustellenden Faservorformlings unterschiedlich gut geeignet sein. Ein Vorteil der Wärmezufuhr mittels Ultraschall, also mittels hochfrequenter mechanischer Wellen, ist beispielsweise, dass die Wärmezufuhr aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmeleistung gut dosiert und gleichmäßig verteilt werden. Bevorzugt wird eine Ultraschallquelle dazu in Kontakt mit dem Material des Faservorformlings gebracht, um eine möglichst wirkungsvolle Einleitung des Ultraschalls in das Material des Faservorformlings zu gewährleisten. Der Wärmeeintrag erfolgt dann durch äußeren Reibung zwischen den Einzellagen sowie durch innere Reibung in zwischenmolekularen Grenzflächen benachbarter Einzellagen. Die Wärmezufuhr mittels Wärmeleitung hingegen bietet den Vorteil einer vergleichsweise sehr schnellen Zufuhr großer Wärmemengen.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmezufuhr mittels Ultraschall über mindestens eine Sonotrode erfolgt, wobei die mindestens eine Sonotrode entweder kontinuierlich über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geführt wird oder in regelmäßigen Abständen an die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen angelegt wird. In ersterem Fall ergibt sich eine gleichmäßige Aktivierung der eingebrachten Binders, wohingegen in letzterem Fall eine verstärkte Aktivierung des Binders an den Anlegepunkten der Sonotrode ergibt. Insbesondere bei einem ebenfalls ungleichmäßigen Einbringen des Binders, bevorzugt nämlich nur an den Anlegepunkten der Sonotrode, kann der letztere Fall vorteilhaft sein.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmezufuhr mittels Wärmeleitung über mindestens eine Kontaktwalze erfolgt, wobei die Kontaktwalze beheizt wird und über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geführt wird. Die Kontaktwalze ist bevorzugt elektrisch beheizbar und weist eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die Zufuhr vergleichsweise großer Wärmemengen in das Gebinde in kurzer Zeit ermöglicht wird. Bevorzugt wird die Kontaktwalze unter einem definierten Anpressdruck über das Gebinde geführt, so dass sich durch den Anpressdruck eine nochmals verbesserte Klebwirkung des Binders zwischen je zwei benachbarten Einzellagen ergibt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen mittels eines Schneidvorgangs erfolgt, wobei der Schneidvorgang über ein mittels Ultraschall zu einem Schwingvorgang angeregtes Schneidwerkzeug erfolgt. Die Anregung des Schneidwerkzeugs mittels Ultraschall kann dabei kontinuierlich oder intervallartig erfolgen, wobei bei einer intervallartigen Anregung die Intervallabstände bevorzugt derart gewählt werden, dass das Schneidwerkzeug stets eine Ultraschallschwingung aufweist, d.h. also, dass die Intervallabstände bevorzugt derart kurz sind, dass die Ultraschallschwingung des Schneidwerkzeugs während eines Schneidvorgangs niemals vollständig abklingt. Wie sich herausgestellt hat, ermöglicht eine Ultraschallbeaufschlagung des Schneidwerkzeugs nämlich einen vergleichsweise einfacheren, schnelleren und präziseren Schneidvorgang. Dies ist insbesondere dahingehend von Vorteil, dass die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen, welche durch Pressen geformt wurde, keiner zu großen Kraftbeaufschlagung durch den Schneidvorgang ausgesetzt werden soll, um eine Auflösen der gepressten Form zu vermeiden. Andernfalls könnten zu hohe Reibungskräfte bzw. Anhaftkräfte zwischen einer Klinge des Schneidwerkzeugs und den Einzellagen entstehen, welche dazu führen, dass eine Schneide die Einzellagen aus ihrer vorgesehenen Position innerhalb des Gebindes bzw. innerhalb der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen herauszieht. In diesem Fall wäre die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen zerstört.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Schneidwerkzeug als Messer ausgebildet ist. Aber auch eine Ausbildung als Schere oder Stanze ist denkbar und bevorzugt
Allgemein gilt dabei, dass die Haftwirkung zwischen der Vielzahl von Einzellagen durch die Aktivierung des Binders und dessen Klebwirkung vergrößert wird, so dass es prinzipiell schwieriger ist, einzelne Einzellagen aus dem gepressten Gebinde herauszuziehen. Andersherum nimmt bei aktiviertem Binder jedoch auch die benötigte Schneidkraft zu, welche aufgebracht werden muss, um die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen mittels eines Schneidvorgangs zu vereinzeln.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Schwingvorgang bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 40 kHz liegt erfolgt. Dies hat sich in der praktischen Verwendung als besonders geeignet erwiesen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass zwar die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und eine Aktivierung des Binders ein einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen, jedoch an lokal unterschiedlichen Stellen der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen. Beispielsweise können die Kontaktwalze zur Wärmezufuhr und das Messer zum Schneiden an einer gemeinsamen Werkzeughalterung angeordnet sein, welche über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geführt wird. Während dann über die Kontaktwalze an einer Stelle der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen die Wärmezufuhr erfolgt, erfolgt gleichzeitig in einem durch die Werkzeughalterung vorgegebenen Abstand des Messers zur Kontaktwalze die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen durch das Messer.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Erzeugen eines Faservorformlings, umfassend eine erste Vorrichtung, die zum Konfektionieren von bereitgestelltem, trockenem und textilem Fasermaterial in eine Vielzahl von Einzellagen ausgebildet ist, eine zweite Vorrichtung, die zum Versehen der Vielzahl von Einzellagen mit einem Binder ausgebildet ist und eine dritte Vorrichtung, die zum Schichten eines Gebindes aus der Vielzahl von Einzellagen ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße System zeichnet sich dadurch aus, dass das System eine weitere Vorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und eine Aktivierung des Binders ein einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen.
Bevorzugt umfasst das System auch eine vierte Vorrichtung, die zum Formen einer Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen durch Pressen des Gebindes ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße System umfasst somit alle Vorrichtungen, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt werden. Daraus ergeben sich die bereits genannten Vorteile.
Die erste Vorrichtung ist bevorzugt als Schneidvorrichtung oder als Stanzvorrichtung ausgebildet. Schneidvorrichtungen bzw. Stanzvorrichtungen eignen sich vorteilhaft zum Konfektionieren unterschiedlicher textiler Fasermaterialien.
Die zweite Vorrichtung ist bevorzugt als Streuvorrichtung ausgebildet, die insbesondere einen pulverförmig vorliegenden Binder auf die Vielzahl von Einzellagen aufbringen kann.
Die dritte Vorrichtung ist bevorzugt als Legevorrichtung ausgebildet, welche die Einzellagen greifen, ausrichten und ablegen kann.
Die vierte Vorrichtung ist bevorzugt als Presse, insbesondere als hydraulische Presse, ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die hydraulische Presse zudem beheizbar ausgebildet, um eine Aktivierung des Binders gleichzeitig mit dem Pressen des Gebindes zu ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die weitere Vorrichtung zusätzlich dazu ausgebildet ist eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen durch Pressen des Gebindes zu formen. In diesem Fall kann auf die Anschaffung und Bereitstellung der vierten Vorrichtung vorteilhaft verzichtet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die weitere Vorrichtung ein ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug und eine Sonotrode umfasst, wobei das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug und die Sonotrode auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung fest angeordnet sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und die Aktivierung des Binders auf sehr einfache Weise in einem gemeinsamen Prozessschritt ausgeführt werden können, da sie an der gemeinsamen Halterung auch gemeinsam über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geführt werden können. Somit erfolgen die Vereinzelung und die Aktivierung gleichzeitig und in einem gemeinsamen Prozessschritt, jedoch an lokal unterschiedlichen Stellen der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen. Diese unterschiedlichen Stellen sind dabei durch die Werkzeughalterung geprägt, die den Abstand zwischen dem an ihr angeordneten Schneidwerkzeug und der ebenfalls an ihr angeordneten Sonotrode vorgibt.
Das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug ist bevorzugt als ultraschallbeaufschlagbares Messer ausgebildet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug und die Sonotrode von einer gemeinsamen Ultraschallquelle ultraschallbeaufschlagt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass nur eine gemeinsame Ultraschallquelle bereitgestellt werden muss, welch dann gleichermaßen das Schneidwerkzeug und die Sonotrode ultraschallbeaufschlagt. Somit können die Investitionskosten in die weitere Vorrichtung reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die weitere Vorrichtung ein ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug und eine beheizbare Kontaktwalze umfasst, wobei das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug und die beheizbare Kontaktwalze auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung fest angeordnet sind. Dies stellt eine alternative Ausbildungsform zur Bereitstellung des Schneidwerkzeugs in Verbindung mit der Sonotrode an der gemeinsamen Werkzeughalterung dar.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kontaktwalze elektrisch beheizbar ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Wärme in der Kontaktwalze direkt entsteht und Wärmeverluste durch eine evtl. Zuleitung vermieden werden können. Zudem kann die Wärmeerzeugung vergleichsweise exakt geregelt werden.
Alternativ bevorzugt kann die Kontaktwalze auch über ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser oder Öl, beheizbar sein. In diesem Fall ist eine geeignete Zuleitung vorgesehen, welche eine Versorgung der Kontaktwalze mit dem flüssigen Medium erlaubt. Ebenso ist eine geeignete Ableitung vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das System dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einem im Stand der Technik bekannten Verfahren,
2 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und die Aktivierung des Binders in einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen,
3 beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und die Aktivierung des Binders in einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen, 4 beispielhaft und schematisch die bereits in 2 dargestellte Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
5 beispielhaft und schematisch ebenfalls die bereits in 2 dargestellte Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens (1b) im Vergleich zu einem im Stand der Technik bekannten Verfahren (1a). Sowohl gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch gemäß dem bekannten Verfahren wird einem ersten Verfahrensschritt 20 zunächst ein trockenes und textiles Fasermaterial 1 bereitgestellt. Das Fasermaterial 1 ist beispielsgemäß als Kohlenstofffasermaterial 1 ausgebildet und wird einer ersten Vorrichtung 2, welche beispielsgemäß als Schneidvorrichtung 2 ausgebildet ist, zugeführt. In Verfahrensschritt 21 wird das Fasermaterial 1 mittels der Schneidvorrichtung 2 in eine Vielzahl von Einzellagen 3 des Fasermaterials 1 konfektioniert. Beispielsgemäß sind die Einzellagen 3 sämtlich formgleich ausgebildet. Im folgenden Verfahrensschritt 22 wird die Vielzahl von Einzellagen 3 mittels einer zweiten Vorrichtung 4 mit einem eine thermoplastische Substanz umfassenden Binder 5 versehen. Die zweite Vorrichtung 4 ist dazu beispielsgemäß als Streuvorrichtung 4 ausgebildet, die den Binder 5 pulverförmig auf die Vielzahl von Einzellagen 3 aufbringt. In Schritt 23 wird nun die Vielzahl von Einzellagen 3 unter Berücksichtigung einer Faserorientierung jeder Einzellage zu einem Gebinde 7 geschichtet. Das Gebinde 7 besteht also aus der Vielzahl von Einzellagen 3. Das Schichten der Vielzahl von Einzellagen 3 zum Gebinde 7 geschieht mittels einer dritten Vorrichtung 6, welche beispielsgemäß als Legevorrichtung 6 ausgebildet ist und die Vielzahl von Einzellagen 3 greifen, ausrichten und ablegen kann. Bis zu Verfahrensschritt 23 unterscheiden sich das bekannte Verfahren und das erfindungsgemäße Verfahren beispielsgemäß nicht.
In Schritt 24 wird nun gemäß dem bekannten Verfahren durch Pressen des Gebindes 7 eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 geformt, wobei das Pressen beispielsgemäß mittels einer als hydraulische Presse 9 ausgebildeten vierten Vorrichtung 9 erfolgt. In Schritt 25 wird gemäß dem bekannten Verfahren mittels einer Kontaktheizung 10 der Binder 5 aktiviert, so dass der Binder 5 eine Klebwirkung zwischen den Einzellagen 3 des Gebindes 7 bzw. der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 entwickelt. Anschließend wird in Verfahrensschritt 26 mittels einer Stanzvorrichtung 11 die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 vereinzelt. In Schritt 28 erfolgt die Übergabe der vereinzelten Faservorformlinge 8 an eine andere, in 1 nicht dargestellte Vorrichtung zu deren weiterer Verarbeitung. Von den bekannten Verfahrensschritten 24, 25 und 26 unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend, dass in Verfahrensschritt 27 gleichzeitig die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 geformt wird, die Aktivierung des Binders 5 erfolgt und ebenfalls gleichzeitig die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 erfolgt. Die weitere Vorrichtung 12 umfasst dabei beispielsgemäß ein ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug 13 und eine Sonotrode 14, wobei das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug 13 und die Sonotrode 14 auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung 15 fest angeordnet sind. Da die Formgebung, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 und die Aktivierung des Binders 5 gleichzeitig erfolgen, kann gegenüber dem bekannten Verfahren eine Verringerung der benötigten Produktionszeit erzielt werden. Zudem können die notwendigen Investitionskosten reduziert werden, da auf die Anschaffung der hydraulische Presse 9, der Kontaktheizung 10 sowie der Stanzvorrichtung 11 verzichtet werden kann. Stattdessen muss nur die weitere Vorrichtung 12 angeschafft werden. In Schritt 28 erfolgt nun auch hier die Übergabe der vereinzelten Faservorformlinge 8 an eine andere Vorrichtung zu deren weiterer Verarbeitung.
2 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung 12, die dazu ausgebildet ist, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 und die Aktivierung des Binders 5 in einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen. Dazu umfasst die in 2 beispielhaft gezeigte weitere Vorrichtung 12 ein als Messer 13 ausgebildetes ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug 13 sowie eine Sonotrode 14, die auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung 15 in einem vorgegebenen Abstand fest angeordnet sind. Mittels des Messers 13 kann die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 geschnitten und somit vereinzelt werden. Gleichzeitig werden über die Sonotrode 14 Ultraschallwellen in die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 eingeleitet, welche den Binder 5 aktivieren, so dass dieser seine Klebwirkung entfaltet. Die Ultraschallbeaufschlagung des Messers 13 führt dazu, dass das Fasermaterial 1 der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 vergleichsweise einfach und präzise geschnitten werden kann. Zur Erzeugung der Ultraschallwellen ist dem Messer 13 einer Ultraschallquelle 17 zugeordnet und der Sonotrode 14 ist eine Ultraschallquelle 18 zugeordnet. Durch die dargestellte Beabstandung des Messers 13 von der Sonotrode 14, erfolgen die Vereinzelung und die Aktivierung zwar gleichzeitig, jedoch an lokal unterschiedlichen Stellen der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8. Durch die Ausrichtung der weiteren Vorrichtung 12 kann somit festgelegt werden, ob ein einzelner Faservorformling 8 zunächst mittels des Messers 13 von der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 abgetrennt bzw. abgeschnitten bzw. vereinzelt werden soll oder ob der Binder 5 im Bereich des einzelnen Faservorformlings 8 zunächst mittels der Sonotrode 14 aktiviert werden soll. Die gemeinsame Werkzeughalterung 15 kann beispielsgemäß an einen nicht dargestellten Industrieroboter oder eine ebenfalls nicht dargestellte CNC-Fräsanlage angebunden werden, welcher bzw. welche das weitere Werkzeug 12 dann im Zuge der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 führt und betätigt.
3 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung 12, welche dazu ausgebildet ist, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 und die Aktivierung des Binders 5 in einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen. Die weitere Vorrichtung 12 der 3 unterscheidet sich von der weiteren Vorrichtung 12 der 2 dadurch, dass sie anstelle der Sonotrode 14 eine elektrisch beheizbare Kontaktwalze 16 umfasst. Die beheizbare Kontaktwalze 16 ist mit dem Messer 13 ebenfalls an der gemeinsamen Werkzeughalterung 15 fest angeordnet.
4 zeigt beispielhaft und schematisch die bereits in 2 dargestellte Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung 12 bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die weitere Vorrichtung 12 umfasst ein als Messer 13 ausgebildetes ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug 13 mit einer Ultraschallquelle 17 und eine Sonotrode 14 mit einer Ultraschallquelle 18, die in einem vorgegebenen Abstand an einer gemeinsamen Werkzeughalterung 15 fest angeordnet sind. Die gemeinsame Werkzeughalterung 15 wird beispielsgemäß von einem nicht dargestellten Industrieroboter über eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8. Die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 ist dabei auf Halterungen 19 abgelegt. Wie zu sehen ist, ist die weitere Vorrichtung 12 in 4 derart ausgerichtet, dass ein Faservorformling 8 zuerst mittels des Messers 13 von der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 abgetrennt bzw. abgeschnitten bzw. vereinzelt wird, bevor er mittels der Sonotrode 14 ultraschallbeaufschlagt wird, was dann zur Aktivierung des Binders 5 führt. D.h. also, dass gemäß der Darstellung der 4 die Vereinzelung und Aktivierung zwar gleichzeitig in einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen, jedoch durch die Beabstandung des Messers 13 von der Sonotrode 14 derart lokal getrennt, dass die Faservorformlinge 8 vereinzelt werden, bevor der Binder 5 der vereinzelten Faservorformlinge 8 aktiviert wird.
5 zeigt beispielhaft und schematisch ebenfalls die bereits in 2 dargestellte Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung 12 bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Darstellung der 5 unterscheidet sich von der Darstellung der 4 durch die Ausrichtung der weiteren Vorrichtung 12: Gemäß 5 ist die Ausrichtung der weiteren Vorrichtung 12 nämlich derart, dass die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 zuerst mittels der Sonotrode 14 ultraschallbeaufschlagt wird, so dass also eine Aktivierung des Binders 5 erfolgt, bevor die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 mittels des Messers 13 vereinzelt wird. Auch in diesem Fall erfolgen die Vereinzelung und Aktivierung zwar gleichzeitig in einem gemeinsamen Prozessschritt, jedoch durch die Beabstandung des Messers 13 von der Sonotrode 14 derart lokal getrennt, dass der Binder 5 aktiviert wird, bevor die Faservorformlinge 8 vereinzelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Fasermaterial, Kohlenstofffasermaterial
2: erste Vorrichtung, Schneidvorrichtung
3: Vielzahl von Einzellagen, Einzellage
4: zweite Vorrichtung, Streuvorrichtung
5: Binder
6: dritte Vorrichtung, Legevorrichtung
7: Gebinde
8: Vielzahl von Faservorformlingen, Faservorformling
9: vierte Vorrichtung, hydraulische Presse
10: Kontaktheizung
11: Stanzvorrichtung
12: weitere Vorrichtung
13: Schneidwerkzeug, Messer
14: Sonotrode
15: gemeinsame Werkzeughalterung
16: Kontaktwalze
17: Ultraschallquelle
18: Ultraschallquelle
19: Halterung
20: Bereitstellen von trockenem und textilem Fasermaterial
21: Konfektionieren des Fasermaterials
22: Versehen der Vielzahl von Einzellagen mit einem Binder
23: Schichten der Vielzahl von Einzellagen zu einem Gebinde
24: Formgebung des Gebindes durch Pressen
25: Aktivieren des Binders
26: Vereinzelung der Vielzahl miteinander verbundenen Faservorformlingen
27: gleichzeitige Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen sowie Aktivierung des Binders ein einem gemeinsamen Prozessschritt
28: Übergabe der vereinzelten Faservorformlinge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015116837 A1 [0003]
DE 10353070 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings (8), wobei mindestens ein trockenes und textiles Fasermaterial (1) bereitgestellt wird (20), wobei das Fasermaterial (1) in eine Vielzahl von Einzellagen (3) konfektioniert wird (21), wobei die Vielzahl von Einzellagen (3) mit einem Binder (4) versehen wird (22), wobei die Vielzahl von Einzellagen (3) zu einem Gebinde (7) geschichtet wird (23) und wobei durch Pressen des Gebindes (7) eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geformt wird (24), dadurch gekennzeichnet, dass eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) und eine Aktivierung des Binders (5) ein einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen (27).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im gemeinsamen Prozessschritt zusätzlich durch Pressen des Gebindes (7) die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geformt wird (24).
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (1) Kohlenstoffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Einzellagen (3) vor einem Schichten zum Gebinde (7) hinsichtlich einer Faserorientierung jeder Einzellage (3) ausgerichtet wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Binders (5) durch Wärmezufuhr erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr mittels Ultraschall und/oder mittels Wärmeleitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr mittels Ultraschall über mindestens eine Sonotrode (14) erfolgt, wobei die mindestens eine Sonotrode (14) entweder kontinuierlich über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geführt wird oder in regelmäßigen Abständen an die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr mittels Wärmeleitung über mindestens eine Kontaktwalze (16) erfolgt, wobei die Kontaktwalze (16) beheizt wird und über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) mittels eines Schneidvorgangs erfolgt, wobei der Schneidvorgang über ein mittels Ultraschall zu einem Schwingvorgang angeregtes Schneidwerkzeug (13) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingvorgang bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 40 kHz liegt erfolgt
System zum Erzeugen eines Faservorformlings (1), umfassend eine erste Vorrichtung (2), die zum Konfektionieren von bereitgestelltem, trockenem und textilem Fasermaterial (1) in eine Vielzahl von Einzellagen (3) ausgebildet ist, eine zweite Vorrichtung (4), die zum Versehen der Vielzahl von Einzellagen (3) mit einem Binder (5) ausgebildet ist und eine dritte Vorrichtung (6), die zum Schichten eines Gebindes (7) aus der Vielzahl von Einzellagen (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine weitere Vorrichtung (12) umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) und eine Aktivierung des Binders (5) ein einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung zusätzlich dazu ausgebildet ist eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) durch Pressen des Gebindes (7) zu formen.
System nach mindestens einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung (12) ein ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug (13) und eine Sonotrode (14) umfasst, wobei das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug (13) und die Sonotrode (14) auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung (15) fest angeordnet sind.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug (13) und die Sonotrode (14) von einer gemeinsamen Ultraschallquelle ultraschallbeaufschlagt werden.
System nach mindestens einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung (12) ein ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug (13) und eine beheizbare Kontaktwalze (16) umfasst, wobei das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug (13) und die beheizbare Kontaktwalze (16) auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung (15) fest angeordnet sind.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktwalze (16) elektrisch beheizbar ist.
System nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.