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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Formgebungsanlage zum Herstellen eines Verbundkörpers, insbesondere eines Faser-Kunststoff-Verbundes, mit einer Formgebungsmaschine umfassend eine Schließeinheit und eine Zuführeinheit für Ausgangsmaterialien eines reaktiven Injektionsverfahrens, wobei die Schließeinheit ein Formgebungswerkzeug und wenigstens eine vom Formgebungswerkzeug gebildete Kavität aufweist und wobei die Zuführeinheit wenigstens einen in die Kavität mündenden Zuführkanal zum Zuführen der Ausgangsmaterialien des reaktiven Injektionsverfahrens aufweist, und einer Manipulationsvorrichtung zum Transportieren von Verstärkungsfasern in die Kavität der Schließeinheit, wobei die Verstärkungsfasern in der Kavität durch die zugeführten Ausgangsmaterialien imprägnierbar sind und die Verstärkungsfasern zusammen mit den zugeführten Ausgangsmaterialien in der Kavität zum Verbundkörper aushärtbar oder auspolymerisierbar sind. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers in einer solchen Formgebungsanlage.
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Zur Herstellung von Profilen und Strukturen mit unidirektionaler Faserverstärkung ist heute unter anderem das Pultrusions- oder Strangziehverfahren gebräuchlich. Dabei werden mehrere Verstärkungsfasern (insbesondere Faserrovings) parallel durch eine Kunststoffschmelze oder ein in ein Imprägnierwerkzeug injiziertes reaktives Matrixsystem geführt. Die Rovings werden dabei imprägniert und die Matrix härtet in der Folge auf einer nachgeschalteten Strecke aus - im Falle einer Kunststoffschmelze durch Unterschreiten des Schmelzpunktes bzw. im Falle eines reaktiven Matrixsystems durch chemische Aushärtung.
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Als Beispiel kann hierzu auf die
WO 2018/177803 A1 verwiesen werden, welche eine Pultrusionsanlage zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffprofile beschreibt. Es geht um die Herstellung von langgestreckten Stäben, wobei die Herstellung kontinuierlich erfolgt.
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Mittels des Pultrusions-Verfahrens lassen sich kontinuierlich gerade Profile und mit maschinellen Modifikationen auch gekrümmte Profile mit definiertem Radius herstellen, welche anschließend nahezu beliebig abgelängt werden können. Das Querschnittsprofil bleibt in beiden Fällen unverändert. Weitere Modifikationen wie etwa die Kombination mit einem Flechtverfahren (Pullbraiding), welche der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in Querrichtung dienen, sind ebenfalls bekannt.
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Ein solches Verfahren ist das in der
DE 10 2011 100 546 B4 genannte Flechtpultrusionsverfahrens, welches sich auf die kontinuierliche Herstellung eines gebogenen thermoplastischen FVK-Hohlprofils in einer Pultrusionsanlage bezieht, wobei in einem ersten Schritt ein mehrlagiges Hohlprofilgeflecht aus Hybridrovings erzeugt wird. Eine vor dem Konsolidierungswerkzeug der Pultrusionsanlage positionierte Flechteinrichtung erzeugt ein rotationssymmetrisches Geflecht, welches nach dem Flechten direkt in das Konsolidierungswerkzeug läuft und hier zu dem Hohlprofil konsolidiert wird. Der ganze Prozess vom Flechten bis zum Hohlprofil ist durchgehend kontinuierlich, dabei läuft das Geflecht nach dem Flechtvorgang direkt ohne Zwischenschritt in das Konsolidierungswerkzeug der Pultrusionsanlage.
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Das Pultrusionsverfahren stößt jedoch insbesondere dann an seine Grenzen, wenn eine gewisse Variabilität bei den eingesetzten Profilen gefordert wird. So können weder Profile mit variablen Radien oder etwa mehrfach gekrümmte Profile kontinuierlich hergestellt werden. Zudem ist man durch das Ablängen nach der Herstellung zwar in der Länge variabel, Dicken- oder Querschnittsvariationen in ein und demselben Profil lassen sich jedoch nicht realisieren. Zur Herstellung von Profilen veränderter Dicke oder eines veränderten Querschnitts müssen nicht nur das Werkzeug, sondern auch die gesamten Maschineneinstellungen adaptiert werden, da abhängig von der Dicke auch die Kühl- bzw. Aushärtungszeiten deutlich variieren. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass das Pultrusionsverfahren insbesondere bei sehr hohen Stückzahlen für eine gegebene Geometrie mit konstantem Querschnitt sinnvoll und ökonomisch eingesetzt werden kann, jedoch dem Anwender kaum Möglichkeiten für die Anpassung der Geometrie bietet.
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Ein zur Herstellung von flächigen Faserverbundbauteilen inzwischen etabliertes Verfahren ist das Harzinjektions- bzw. das Hochdruck-Harzinjektionsverfahren. Als Ausgangsmaterialien werden hierbei trockene textile Faserhalbzeuge (Preforms) auf Basis von Carbon- oder Glasfasertextilien passgenau in ein Formgebungswerkzeug eingelegt. Nach dem Schließen des Formgebungswerkzeugs wird die Menge an Restluft in der Kavität zumeist durch Evakuieren der Form reduziert. Dann erfolgt die Injektion eines reaktiven Matrixsystems in das geschlossene Werkzeug, wodurch das textile Verstärkungselement benetzt und imprägniert wird. Als reaktive Matrixsysteme werden hierbei Reaktivsysteme eingesetzt, welche in einem beheizten Formgebungswerkzeug innerhalb weniger Minuten ausreagieren können, unter anderem Epoxidharz- oder Polyurethansysteme.
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Der oben beschriebene Reaktivprozess wurde in den letzten Jahren stark optimiert, sodass je nach Bauteilgröße Zykluszeiten von unter 2 Minuten erreicht werden. Zudem sind zwischenzeitlich Mehrkavitäten-Anwendungen realisierbar.
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Ein Beispiel für einen solchen Reaktivprozess bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden geht aus der
DE 10 2014 012 204 A1 hervor, wobei ein diskontinuierlicher Betrieb über eine Transportvorrichtung erfolgt.
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Hinsichtlich der Preform-Herstellung haben sich neben der klassischen Prozessroute, bestehend aus dem Stacking mehrerer Gewebe- oder Gelege-Lagen, dem Fixieren der Lagen zueinander, dem Umformen sowie dem abschließenden passgenauen Beschnitt, auch weitere textile Verarbeitungsverfahren wie etwa Flechtprozesse oder lastpfadoptimierte Roving- oder Gelegeverarbeitung (Dry-Fibre-Placement) etabliert.
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Nichtsdestotrotz verbleibt der textile Vorformprozess der Kostentreiber beim Einsatz des Hochdruck-Harzinjektionsverfahrens.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine verbesserte Formgebungsanlage (bzw. ein verbessertes Verfahren) zu schaffen. Insbesondere sollen die beim Stand der Technik gegebenen Nachteile vermieden oder zumindest verringert werden. Insbesondere soll eine kostengünstigere und variablere Herstellung von Verbundkörpern möglich sein.
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Dies wird durch eine Formgebungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Demnach ist erfindungsgemäß eine Bereitstellungsvorrichtung für die Verstärkungsfasern vorgesehen, wobei die Verstärkungsfasern von der Bereitstellungsvorrichtung in Form von auf mindestens einem Wickelkern aufgewickelten Verstärkungsfasern bereitgestellt sind, wobei der wenigstens eine Wickelkern mitsamt den aufgewickelten Verstärkungsfasern von der Manipulationsvorrichtung in der Schließeinheit ablegbar ist, wobei der Wickelkern die Kavität des Formgebungswerkzeugs mitbildet und eine Lösevorrichtung, mit welcher der ausgehärtete oder auspolymerisierte Verbundkörper vom Wickelkern lösbar ist.
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Somit hat der Wickelkern eine Doppelfunktion: Einerseits dient dieser dem Aufwickeln, Halten und Transportieren der Verstärkungsfasern. Andererseits bildet die Oberfläche des Wickelkerns auch einen Teil der geometrischen Gestalt des hergestellten Verbundkörpers mit.
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Es ist also erstmals eine Formgebungsanlage (und ein zugehöriger Prozess) geschaffen, mittels welcher die Herstellung von Verbundkörpern diskontinuierlich erfolgt.
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Wiederum anders ausgedrückt: Es wird mit der Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, mit welchem endlosfaserverstärkte Profile kostengünstiger hergestellt werden können. Zudem ermöglicht das Verfahren dem Verarbeiter auch eine erweiterte Variabilität hinsichtlich der Profilgeometrien und deren weiterer Verarbeitung. Weiters ist eine Kostenreduktion gegeben, wobei der Schlüssel zu dieser Kostenreduktion in erster Linie bei der Reduktion des Aufwands zur Bereitstellung der Preforms liegt.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind unter anderem in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Formgebungsanlage eine - von der Manipulationsvorrichtung und von der Bereitstellungsvorrichtung separate - Lagervorrichtung zum Lagern von Verstärkungsfasern aufweist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Lagervorrichtung zumindest eine drehbar gelagerte Spule mit darauf aufgerollten Verstärkungsfasern aufweist, wobei die Verstärkungsfasern von dieser Spule abwickelbar und auf dem Wickelkern aufwickelbar sind.
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Die Verstärkungsfasern sind bevorzugt als Roving ausgebildet. Als Roving wird ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten (Endlosfasern) bezeichnet.
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Der Querschnitt eines Rovings ist meist elliptisch oder rechteckig. Allerdings gibt es auch Rovings mit einer leichten Schutzdrehung (z. B. 10 Drehungen/m), wodurch der Querschnitt runder wird.
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Am häufigsten werden Filamente aus Glas, Aramid, Kunststoff, Naturfasern oder Kohlenstoff zu Rovings zusammengefasst.
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Die Manipulationsvorrichtung kann als Transportvorrichtung, z. B. in Form eines Handlingroboters, ausgebildet sein. Mit dieser Manipulationsvorrichtung lassen sich die (am Wickelkern aufgewickelten) Verstärkungsfasern bewegen und ablegen.
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Die Manipulationsvorrichtung dient vor allem dazu, den Wickelkern in die Schließeinheit zu bewegen und auch wieder aus dieser zu entfernen. Der Wickelkern kann auch von der Manipulationsvorrichtung in ein Wickelkern-Lager transportiert werden, vor allem wenn unterschiedlich ausgebildete und geformte Wickelkerne für die Herstellung unterschiedlich geformter Verbundkörper vorhanden sind.
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An sich ist es ausreichend, wenn die Bereitstellungsvorrichtung nur durch den Wickelkern gebildet wird. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Bereitstellungsvorrichtung den wenigstens einen Wickelkern, ein Achselement und eine Antriebsvorrichtung zum Drehen des Wickelkerns um das Achselement aufweist.
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Es soll nicht ausgeschlossen sein, dass der Wickelkern mitsamt dem Achselement von der Manipulationsvorrichtung bereichsweise in die Schließeinheit bewegbar ist. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass der Wickelkern vom Achselement lösbar ist.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Wickelkern durch die Manipulationsvorrichtung vom Achselement lösbar ist. Das heißt, nach dem erfolgten Aufwickeln der Verstärkungsfasern nimmt die Manipulationsvorrichtung den Wickelkern vom Achselement herunter und transportiert diesen entsprechend weiter.
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Die Verstärkungsfaser kann so auf dem Wickelkern aufgewickelt werden, dass sie von selbst am Wickelkern hält. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Verstärkungsfasern am Wickelkern fixierbar, vorzugsweise festklemmbar, festklebbar oder festschweißbar, sind.
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Der Wickelkern kann an sich jede beliebige Form haben, solange sich eben eine Verstärkungsfaser darauf aufwickeln lässt und solange der Wickelkern im Formgebungswerkzeug entsprechend Platz findet.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass an einer Mantelfläche des wenigstens einen Wickelkerns zumindest eine umlaufende Nut zur Aufnahme der Verstärkungsfaser ausgebildet ist.
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Die umlaufende Nut kann einen geschlossenen Kreis bilden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Nut um das Achselement herum ausgebildet ist.
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Es ist auch möglich, dass die umlaufende Nut helixförmig an der Mantelfläche ausgebildet ist und somit um die Mantelfläche gewunden ist. Dadurch können längere Verbundkörper auf einem Wickelkern erzeugt werden.
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Konkret kann vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Wickelkern im Wesentlichen zylindrisch mit einer wenigstens annähernd elliptischen oder kreisförmigen Grundfläche ausgebildet ist. Das Achselement bildet dann die Zylinderachse, um welche herum die Mantelfläche ausgebildet ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Wickelkern im Wesentlichen zylindrisch mit einer vieleckigen Grundfläche mit abgerundeten Ecken ausgebildet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Verbundkörper eine stabförmige, eine torusförmige, eine ellipsoidförmige oder eine zylinderförmige Geometrie aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Lösevorrichtung als Schneidevorrichtung, Stanzvorrichtung oder Handlingvorrichtung ausgebildet ist.
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Mit der Zuführeinheit können an sich beliebige Ausgangsmaterialien für ein reaktives Injektionsverfahren zugeführt werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zuführeinheit (zumindest) zwei (separate) Behälter für Ausgangsmaterialien eines reaktiven Injektionsverfahrens, vorzugsweise für Polyurethan, Epoxidharz, Lactam oder Caprolactam, aufweist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei unterschiedlichen reaktiven Ausgangsmaterialien erst in der Kavität vermischt werden oder kurz vor der Kavität in einer im Formgebungswerkzeug ausgebildeten Mischkammer vermischt werden. Dadurch kann eine zu frühe chemische Reaktion und ein Aushärten bzw. Auspolymerisieren bereits in der Zuführleitung vermieden werden.
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Beim Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers, insbesondere eines Faser-Kunststoff-Verbundes, in einer (erfindungsgemäßen) Formgebungsanlage sind die Schritte Imprägnieren der Verstärkungsfasern in der Kavität durch die zugeführten Ausgangsmaterialien und Aushärten bzw. Auspolymerisieren der Verstärkungsfasern zusammen mit den zugeführten Ausgangsmaterialien in der Kavität zum, Verbundkörper vorgesehen.
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Die oben bereits angeführte Aufgabe wird beim Verfahren durch die Schritte Bereitstellen von Verstärkungsfasern von einer Bereitstellungsvorrichtung in Form von auf mindestens einem Wickelkern aufgewickelten Verstärkungsfasern, Ablegen des wenigstens einen Wickelkerns mitsamt den aufgewickelten Verstärkungsfasern von der Manipulationsvorrichtung in der Schließeinheit, wobei der Wickelkern die Kavität des Formgebungswerkzeugs mitbildet und Lösen des ausgehärteten oder auspolymerisierten Verbundkörpers vom Wickelkern durch eine Lösevorrichtung gelöst.
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Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden - teilweise mit anderen Worten - angeführt.
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Der Wickelkern ist bevorzugt metallisch. Der Wickelkern kann auch als Hilfsvorrichtung oder Haspel definiert werden.
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Ein Ende der Verstärkungsfaser wird zunächst am Wickelkern fixiert. Dies kann durch einen Klemmmechanismus oder aber durch einen Klebe- oder Punktschweißvorgang erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können auch mehrere Verstärkungsfasern (Rovings) zugleich für den Wickelvorgang verwendet werden. Alternativ ist es zudem möglich Gewebe- oder Gelegestreifen zu verwenden.
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Der Wickelkern enthält Vertiefungen zur Rovingführung. Diese Vertiefungen bilden die gewünschte Form des zu produzierenden profilförmigen Bauteils (Verbundkörper) zumindest teilweise ab.
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Es ist also möglich die spätere Form des Profils durch Anpassung des Wickelkerns zu beeinflussen. Insbesondere können auf diese Weise Dickensprünge und Querschnittsänderungen erreicht werden. Solange die Querschnittsfläche dabei nicht verändert wird, bleibt auch der Fasergehalt im Wesentlichen gleich. Innerhalb technischer Grenzen ist auch eine Veränderung des Profilquerschnitts zulässig. Damit ist jedoch eine Änderung des lokalen Fasergehalt im fertigen Bauteil verbunden.
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Der Wickelkern ist für den Formgebungsprozess Bestandteil des Formgebungswerkzeugs. Im folgenden Verfahrensschritt wird der Wickelkern mit den aufgewickelten Rovings mit weiteren Elementen eines Formgebungswerkzeugs zusammengeführt. Bevorzugt ist das Formgebungswerkzeug beheizt. Dieses Formgebungswerkzeug ist in einer Schließeinheit, welches Teil einer Kunststoffverarbeitungsmaschine (Formgebungsmaschine) ist, aufgespannt.
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Optional kann der Wickelkern bereits vor oder während dem Einbringen in das Formgebungswerkzeug beheizt werden, beispielsweise auch während des Wickelvorgangs.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können pro Formgebungszyklus parallel mehrere Wickelkerne eingebracht werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Wickelkern Aussparungen zur Produktion mehrerer Bauteile parallel aufweist.
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Beim Schließen des Formgebungswerkzeugs bilden die Vertiefungen einen Formhohlraum, der einen Teil einer Kavität mitbildet.
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Neben diesem teilweise mit den Fasern gefüllten Formhohlraum besteht die Kavität aus zumindest einem Angussbereich und einem Evakuierungsbereich. Optional können Anguss- und Evakuierungsbereich auch als ein gemeinsamer Bereich ausgeführt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Formgebungswerkzeug zudem auch einen oder mehrere Sensoren zur Messung des Forminnendrucks.
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Anschließend wird die Kavität evakuiert und reaktives Harzgemisch kann durch die Zuführvorrichtung injiziert werden. Während dieses Injektionsvorgangs werden die Faserrovings imprägniert und die Kavität vollständig gefüllt.
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Beim verwendeten Reaktivsystem kann es sich beispielsweise um ein Polyurethan-, Epoxidharz- oder Lactam-System handeln.
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Bevorzugt wird dabei ein Caprolactam-System verwendet, welches nach erfolgter Injektion unter Temperatureinwirkung zu Polyamid 6 auspolymerisiert.
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Nach erfolgter Aushärtung wird das Formgebungswerkzeug geöffnet und der Wickelkern kann mitsamt den nun auspolymerisierten faserverstärkten Segmenten entnommen werden. Bevorzugt passiert dies automatisiert mittels einer Steuer- oder Regeleinheit.
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Sodann können die hergestellten Verbundkörper vom Wickelkern gelöst werden. Dies kann beispielsweise durch einen (von einer Lösevorrichtung durchgeführten) Schneid-, Stanz- oder Handlingvorgang erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zudem auch die nicht faserverstärkten Bereiche (Anguss- und Evakuierungsbereich) von den Bauteilen getrennt.
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Weiters kann eine Reinigungsvorrichtung vorgesehen sein, mit welcher der Wickelkern und/oder das Formgebungswerkzeug (z. B. direkt nach der Bauteilentnahme) gereinigt werden/wird.
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Obwohl der Verbundkörper im Folgenden anhand konkreter Beispiele beschrieben wird, kann das Endprodukt jede gewünschte Geometrie aufweisen. In den folgenden Abbildungen wird ein Beispiel des Verbundkörpers in Form einer stabförmigen Struktur und ein weiteres in Form einer zylinderförmigen Struktur dargestellt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch eine Formgebungsanlage,
- 2 schematisch eine Ausführungsvariante, bei welcher die Manipulationsvorrichtung auch den Wickelkern dreht,
- 3 perspektivisch einen Wickelkern,
- 4 perspektivisch eine Formhälfte,
- 5 perspektivisch eine Formhälfte mit Wickelkern,
- 6 perspektivisch zwei Formhälften samt Wickelkern,
- 7 perspektivisch ein Detail im Bereich der Zuführkanäle und der Mischkammer,
- 8 perspektivisch ein Detail im Evakuierungsbereich,
- 9 perspektivisch einen Wickelkern mit mehreren Nuten und
- 10 perspektivisch einen im Wesentlichen viereckigen Wickelkern mit mehreren separaten Nuten,
- 11 perspektivisch einen zweiteiligen Wickelkern (offene Stellung),
- 12 perspektivisch einen zweiteiligen Wickelkern (geschlossene Stellung),
- 13 perspektivisch einen zweiteiligen Wickelkern (geschlossene Stellung) samt Verbundkörper,
- 14 perspektivisch (von links) zwei Formhälften samt zweiteiligem Wickelkern,
- 15 perspektivisch (von rechts) zwei Formhälften samt zweiteiligem Wickelkern,
- 16 schematisch zwei Formhälften (geschlossene Stelle) mit zweiteiligem Wickelkern und Verbundkörper,
- 17 perspektivisch einen zweiteiligen zylinderförmigen Wickelkern (offene Stellung) samt zylinderförmigem Verbundkörper.
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In 1 ist schematisch eine Formgebungsanlage 1 dargestellt. Diese Formgebungsanlage 1 setzt sich grundsätzlich zusammen aus der Formgebungsmaschine 2, der Manipulationsvorrichtung 7 und der Bereitstellungsvorrichtung 8.
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Bevorzugt weist diese Formgebungsanlage 1 auch noch die Lagervorrichtung 9 und die Lösevorrichtung 11 auf.
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Die Formgebungsmaschine 2 weist eine Schließeinheit 3 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Schließeinheit 3 als Vertikalmaschine ausgebildet und weist die feststehende Formaufspannplatte 31, die Holme 32 und die bewegbare Formaufspannplatte 33 auf. Die bewegbare Formaufspannplatte 33 ist von einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung (z. B. einer Eilhubvorrichtung) bewegbar.
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An den (in diesem Fall geöffnet dargestellten) Formaufspannplatten 31 und 33 sind die Formhälften eines Formgebungswerkzeugs 5 montiert. Im geschlossenen Zustand ist im Formgebungswerkzeug zumindest eine Kavität K ausgebildet.
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Die Zuführeinheit 4 weist die beiden Behälter 41 und 42 auf, welche jeweils mit einem Ausgangsmaterial A und B für ein reaktives Injektionsverfahren gefüllt sind. Zudem umfasst die Zuführeinheit Zuführkanäle 6 zum Zuführen der Ausgangsmaterialien A und B in die Kavität K.
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In der 1 ist dargestellt, dass die beiden Zuführkanäle 6 zunächst in eine Mischkammer 12 münden, wobei ausgehend von dieser Mischkammer 12 dann die gemischten Ausgangsmaterialien A und B zusammen (bzw. vermischt) in die Kavität K gelangen.
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Die Formgebungsmaschine 2 weist auch eine Anlagensteuerung 13 auf. Diese Anlagensteuerung 13 kann auch als Steuer- oder Regeleinheit samt Bedienvorrichtung bezeichnet werden. Über die Anlagensteuerung 13 sind die Prozesse der Formgebungsmaschine steuer- oder regelbar.
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Zudem ist es möglich, dass über diese Anlagensteuerung 13 auch die Prozesse und Bewegungen der Manipulationsvorrichtung 7, der Bereitstellungsvorrichtung 8 und/oder der Lagervorrichtung 9 steuer- oder regelbar sind.
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Die Lagervorrichtung 9 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Spulen 10 auf. Diese Spulen 10 können gegebenenfalls über eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung drehbar angetrieben werden. Auf den Spulen ist jeweils eine Verstärkungsfaser F (vorzugsweise ein Roving) aufgewickelt.
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Die Bereitstellungsvorrichtung 8 weist den Wickelkern 81, das Achselement 82 und eine Antriebsvorrichtung 83 auf. Durch Drehen (oder Verschwenken) des Wickelkerns 81 um das Achselement 82 wird die Verstärkungsfaser F von den Spulen 10 der Lagervorrichtung 9 abgewickelt und auf den Wickelkern 81 aufgewickelt.
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Sobald genügend Verstärkungsfaser F auf dem Wickelkern 81 aufgewickelt ist, wird die Verstärkungsfaser F durchtrennt und der Wickelkern 81 wird mitsamt der aufgewickelten Verstärkungsfaser F von der Manipulationsvorrichtung 7 (in Form eines Handlingroboters) in die Schließeinheit 3 der Formgebungsmaschine 2 transportiert. In 1 ist bereits ein Wickelkern 81 im geöffneten Formgebungswerkzeug 5 abgelegt.
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Bei geschlossener Schließeinheit 3 bildet der Wickelkern 81 die Kavität K im Formgebungswerkzeug 5 mit. In diese Kavität K werden dann die Ausgangsmaterialien A und B zugeführt und die Verstärkungsfasern F werden imprägniert. Durch das (chemische) Aushärten der in der Kavität K befindlichen Ausgangsmaterialien A und B bilden diese zusammen mit den Verstärkungsfasern F den Verbundkörper V. In 1 ist dargestellt, dass - in diesem Fall drei -Verbundkörper V hergestellt wurden.
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Das Lösen des Verbundkörpers V vom Wickelkern 81 erfolgt bei geöffneter Schließeinheit 3 durch die schematisch angedeutete Lösevorrichtung 11.
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Mit dieser Formgebungsanlage 1 und dem zugehörigen Verfahren ist eine kostengünstige und variable Herstellung von faserverstärkten Produkten in einem diskontinuierlichen Betrieb möglich.
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In 2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt. Das Aufwickeln der Verstärkungsfaser F auf dem Wickelkern 81 erfolgt hier erst, nachdem die Manipulationsvorrichtung 7 den Wickelkern 81 aufgenommen hat. Somit kann auch die Manipulationsvorrichtung 7 den Wickelkern 81 drehen und somit in einer Doppelfunktion auch als Antriebsvorrichtung 83 fungieren.
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In 3 ist der Wickelkern 81 perspektivisch dargestellt. In die Mantelfläche M ist eine umlaufende Nut 84 eingearbeitet. Zudem ist durch die strichlierte Linie das zentral angeordnete Achselement 82 angedeutet. Durch Rotation des Wickelkerns 81 um dieses Achselement 82 wird die Verstärkungsfaser F in der umlaufenden Nut 84 am Wickelkern 81 aufgewickelt.
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4 zeigt perspektivische eine Formhälfte des Formgebungswerkzeugs 5, in welchem ein Teil der Kavität K ausgebildet ist. Erkennbar sind der Angussbereich 14 und der gegenüberliegend angeordnete Evakuierungsbereich 15.
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In 5 ist der Wickelkern 81 mitsamt der aufgewickelten Verstärkungsfaser F in der Formhälfte des Formgebungswerkzeugs 5 abgelegt.
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In 6 sind die beiden Formhälften des Formgebungswerkzeugs 5 samt Wickelkern 81 aus einer anderen Perspektive gezeigt, wobei die linksseitige Formhälfte halb-durchsichtig dargestellt ist. Das Formgebungswerkzeug 5 kann grundsätzlich sowohl auf einer horizontal schließenden Schließeinheit 3 als auch auf eine vertikal schließenden Schließeinheit 3 (Presse) betrieben werden.
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7 zeigt ein Detail eines geschlossenen Formgebungswerkzeugs 5 samt Wickelkern 81 und Verstärkungsfasern F. Diese 7 zeigt auch eine mögliche Ausgestaltung des Angussbereichs 14. In diesem Fall ist eine Mischkammer 12 derart in zumindest eine der Formhälften integriert, dass sie normal zur Öffnungsrichtung der Schließeinheit 3 angeordnet ist. Die Zuführung der reaktiven Ausgangsmaterialien A und B erfolgt über die in den Formhälften ausgebildeten Abschnitte der Zuführkanäle 6. Etwaige Verschlussdüsen zur Steuerung des Injektionsvorgangs sind nicht gezeigt.
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8 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des Evakuierungsbereichs 15. Dieser ist bevorzugt auf dem Angussbereich 14 (Injektionsbereich) abgewandten Seite angeordnet (siehe 4). Ein schaltbarer Vakuumbaustein (nicht gezeigt) ist in der Bohrung 16 verbaut. Diese Bohrung 16 kann mit dem restlichen Evakuierungsbereich 15 auch als Überlaufkavität verwendet und somit bei der Verbundkörper-Entformung als Reinharzbereich mit entformt werden.
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In 9 ist eine alternative Ausführungsform des Wickelkerns 81 dargestellt. Dabei sind mehrere - konkret vier - umlaufende Nuten 84 an der Mantelfläche M des Wickelkerns 81 ausgebildet. Es ist ersichtlich, dass der zylinderförmige Wickelkern 81 eine im Wesentlichen elliptische Grundfläche beschreibt.
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In 10 weist der Wickelkern 81 auch wieder mehrere separate, umlaufende Nuten 84 an der Mantelfläche M auf. In diesem Fall ist die Grundfläche im Wesentlichen viereckig, mit abgerundeten Ecken ausgebildet.
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In 11 ist eine weitere alternative Ausführungsform des Wickelkerns 81 dargestellt, der mit einem ersten Teil 85 und einem zweiten 86 Teil ausgebildet ist. Es ist ersichtlich, dass der Wickelkern 81 eine im Wesentlichen kreisförmige Grundfläche aufweist.
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12 zeigt die alternativen Ausführungsform gemäß 11 in einer geschlossenen Stellung. Dabei ist eine umlaufende Nut 84 an der Mantelfläche M des Wickelkerns 81 ausgebildet.
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13 zeigt die alternativen Ausführungsform gemäß 11 und 12 in einer geschlossenen Stellung samt lösbarem Verbundkörper V.
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In 14 sind die beiden Formhälften des Formgebungswerkzeugs 5 samt Wickelkern 81 gezeigt. Das Formgebungswerkzeug 5 kann grundsätzlich sowohl auf einer horizontal schließenden Schließeinheit 3 als auch auf eine vertikal schließenden Schließeinheit 3 betrieben werden.
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In 15 sind die beiden Formhälften des Formgebungswerkzeugs 5 samt Wickelkern 81 aus einer anderen Perspektive gezeigt.
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16 stellt die beiden Formhälften des Formgebungswerkzeugs 5 in einer geschlossenen Stellung samt Wickelkern 81 und Verbundkörper schematisch dar.
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17 zeigt einen Wickelkern 81 gemäß 11, 12 und 13 in einer offenen Stellung mit einem lösbaren Verbundkörper V.
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Mit den Ausführungsvarianten gemäß den 9 bis 17 können jeweils eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauteilen (Verbundkörper V) in einem Formgebungszyklus hergestellt werden. Wenn (z. B. über die Lösevorrichtung 11 in Form einer Schneidevorrichtung oder einer Stanzvorrichtung) die Verbundkörper V im Bereich der beiden Schmalseiten des Wickelkerns 81 gemäß 9 durchgeschnitten werden, so ergeben sich mit einem Schlag acht stabförmige Verbundkörper V. Wenn in ähnlicher Weise beim Wickelkern 81 gemäß 10 an den abgerundeten Ecken eine Durchtrennung der Verbundkörper V erfolgt, so ergeben sich sechzehn verstärkte Stäbe. Wenn (z. B. über die Lösevorrichtung 11 in Form einer Handlingvorrichtung) der Verbundkörper V vom Wickelkern 81 gemäß 13 gelöst wird, so ergibt sich ein zylinderförmiger Verbundkörper V.
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Abschließend seien nochmals die wesentlichen Vorteile der Erfindung erläutert:
- Das vorgestellte Verarbeitungsverfahren geht, wie das Pultrusionsverfahren, direkt vom Roving aus, sodass verglichen mit dem Hochdruck-Harzinjektionsverfahren ein Großteil der teuren und maschinell aufwändigen Schritte zur Herstellung textiler Vorformlinge entfallen kann. Zudem arbeitet das Verfahren im Hinblick auf die textilen Vorprodukte annähernd frei von Verschnitt und es sind keine Binder oder weiteren Preformhilfsmittel erforderlich.
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Die Manipulation trockener Textilien beschränkt sich vielmehr auf das Abwickeln der Rovings und das Wiederaufwickeln auf die entsprechenden Hilfsvorrichtungen (Wickelkerne). Ein Schneiden von trockenen Fasern ist nur beim Abtrennen der Rovings nach erfolgtem Wickelvorgang erforderlich.
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Insbesondere bei der Verwendung von Carbonfasern ist eine Reduktion der Beschnittprozesse zudem ein Vorteil, da in deutlich geringerem Ausmaß Stäube oder Faserreste anfallen, welche entsorgt bzw. durch teure Absauglösungen vom Bedienpersonal und den Verarbeitungsmaschinen ferngehalten werden müssen.
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Ein Vorteil gegenüber klassischen Harzinjektions- und Pultrusionsverfahren ist zudem, dass bereits durch vergleichsweise einfache Adaptionen an Vorrichtungen und Werkzeugen eine umfassende Produktvielfalt generiert werden kann.
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Insbesondere ist es möglich mit einem Werkzeug durch Auswechseln der Wickelkerne Profile mit verschiedenen Dicken, Querschnitten und/oder Radien herzustellen.
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Auch können in ein und demselben Verarbeitungsprozess je nach benötigter Stückzahl verschiedene Wickelkerne nacheinander eingesetzt werden, ohne dass an den Produktionseinstellungen maßgebliche Änderungen durchgeführt werden müssen. Bei einem Hochdruck-Harzinjektionsverfahren müsste in einem solchen Fall die Preformlinie umgestellt werden und zumindest die Produktion zum Wechsel von etwaigen Werkzeugeinsätzen unterbrochen werden. Bei einem Pultrusionsverfahren wäre eine neue Einstellung der gesamten Produktionslinie erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formgebungsanlage
- 2
- Formgebungsmaschine
- 3
- Schließeinheit
- 31
- feststehende Formaufspannplatte
- 32
- Holme
- 33
- bewegbare Formaufspannplatte
- 4
- Zuführeinheit
- 41
- Behälter
- 42
- Behälter
- 5
- Formgebungswerkzeug
- 6
- Zuführkanal
- 7
- Manipulationsvorrichtung
- 8
- Bereitstellungsvorrichtung
- 81
- Wickelkern
- 82
- Achselement
- 83
- Antriebsvorrichtung
- 84
- Nut
- 85
- zweiteiliger Wickelkern (Teil 1)
- 86
- zweiteiliger Wickelkern (Teil 2)
- 9
- Lagervorrichtung
- 10
- Spule
- 11
- Lösevorrichtung
- 12
- Mischkammer
- 13
- Anlagensteuerung
- 14
- Angussbereich
- 15
- Evakuierungsbereich
- 16
- Bohrung
- V
- Verbundkörper
- A, B
- Ausgangsmaterialien
- K
- Kavität
- F
- Verstärkungsfasern
- M
- Mantelfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018/177803 A1 [0003]
- DE 102011100546 B4 [0005]
- DE 102014012204 A1 [0009]
