DE10250826B4 - Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms aus textilen Ausgangsmaterialien, wie Fasern, Faserbündeln oder Tapes,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die textilen Ausgangsmaterialien zweidimensional in einer Ebene abgelegt werden, wobei die einzelnen Faserorientierungen bzw. Faserverläufe der einzelnen Fasern und die Geometrie des zweidimensionalen Geleges durch Rückrechnung aus der dreidimensionalen Zielform bestimmt worden ist,
b) dass durch Umformen/Drapieren des zweidimensionalen Geleges die dreidimensionale Zielform hergestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms, wobei in einem ersten Schritt die textilen Ausgangsmaterialien zweidimensional in einer Ebene abgelegt werden, wobei die einzelnen Faserorientierungen bzw. Faserverläufe der einzelnen Fasern und die Geometrie des zweidimensionalen Geleges durch Rückrechnung aus der dreidimensionalen Zielform bestimmt worden sind, und anschließend dann ein Formungs-/Drapierungsprozess zur dreidimensionalen Zielform erfolgt.
• Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffe kommen unterschiedliche textile Vorprodukte, im Folgenden auch Halbzeuge genannt, zur Anwendung. Neben Ge weben und Geflechten können Vliesstoffe und andere textile Flächengebilde eingesetzt werden. Anschließend können diese Halbzeuge in unterschiedlichen Verarbeitungsprozessen konfektioniert und miteinander kombiniert und verbunden werden. Die dabei entstandenen Vorformlinge (sog. Preforms) werden schließlich mit einem Matrixsystem getränkt und meist unter erhöhtem Druck und Temperatur ausgehärtet.
• Die Fixierung von Preforms kann mit Hilfe eines Binders, mit dem Matrixsystem oder durch eine mechanische Fixierung, wie z.B. Nähen, geschehen. Bei den verwendeten Bindersystemen handelt es sich hauptsächlich um thermoplastische Substanzen, die z.B. pulverförmig auf das Halbzeug aufgebracht und unter Temperatureinfluss aktiviert werden. Neben einer Festlegung der Faserorientierung können die Bindersysteme dazu verwendet werden, die Preforms in einem kompaktierten Zustand zu fixieren.
• Heute werden textile Vorprodukte, wie z.B. Gewebe, Multiaxialgelege und Geflechte zur Herstellung von faserverstärkten Hochleistungskunststoffen verwendet, aus denen ein Preform durch Konfektionierung und Drapiervorgänge hergestellt wird. Die meisten dieser Halbzeuge werden bei ihrer Herstellung nicht optimal für ein spezifisches Bauteil hergestellt. Die Folgen sind ungenaue oder unerwünschte Faserorientierungen und weitere Nachteile, wie z.B. Überlappungen. Des Weiteren gibt es Verfahren, mit denen aus einzelnen Faserbündeln (Rovings) bauteilangepasste Preforms hergestellt werden können. Zu diesen Fertigungsverfahren zählen unter anderem das Wickeln, (Tailored) Fibre Placement, Tapelegen und Tow-Placement. Dabei lassen besonders das Wickel-, Tow-Placement- und (Tailored) Fibre Placement-Verfahren die Herstellung komplexer Preforms mit einer gezielten Faserausrichtung zu. Für komplexe dreidimensionale Strukturen sind dabei besonders das Wickel- und das Tow-Placement-Verfahren geeignet.
• Bei Faserwickeln werden Faserhalbzeuge auf einen rotierenden Kern aufgewickelt. Durch die Position des Faserträgers (Fadenauge) kann der Ablegewinkel festgelegt werden. Im Normalfall werden als Halbzeug ein oder mehrere trockene Rovings verwendet, die direkt vor dem Wickelprozess in einem temperierten Matrixbad getränkt werden (Nass-Wickeln) oder es werden vorimprägnierte Prepregrovings verwendet (Prepregverfahren), wobei Prepregfaserhalbzeuge einfacher zu verarbeiten sind und bessere Laminatqualitäten erreicht werden können. Ein weiteres Verfahren ist das sogenannte Trockenwickeln. Das nachträgliche Imprägnieren von zuvor trocken gewickelten Bauteilen kann mit unterschiedlichen Injektionsverfahren realisiert werden. Das Bauteil wird direkt auf dem Kern ausgehärtet. Als Wickelkörper werden verlorene Kerne, teilbare Kerne oder flexible aufblasbare Kerne verwendet.
• Die Fertigung von komplexen Bauteilen ist zwar möglich, allerdings ist das Einbringen von gezielten Verstärkungen kaum möglich, da die Fasern immer auf einem größeren Umfang abgelegt werden. Wickelmaschinen mit sechs oder mehr Achsen erlauben es dem Konstrukteur die Position und Orientierung des Fadenauges genau festzulegen. Die Fadenzufuhr kann damit entlang der x-, y- oder z-Achse geschehen und ermöglicht die Rotation des Fadenauges um die drei orthogonalen Achsen, so dass auch nicht-rotationssymmetrische Körper, wie z.B. T-Träger, hergestellt werden können. Die Hauptanwendung der Wickeltechnik ist das Herstellen von zylinderförmigen Bauteilen (z.B. Lei tungen, Strukturen, Stäbe, usw.) und Behältern (Druckbehälter, usw). Es können auch größere Bauteile gefertigt werden, wie z.B. Rohre mit Durchmessern von über 10 m.
• Werden Thermoplaste als Matrixwerkstoff oder als Binder verwendet, so wird das Halbzeug zusammen mit dem Harz erhitzt und nach der Ablage auf dem Kern abgekühlt. Die Legegeschwindigkeiten sind aufgrund dieser Prozesse langsamer als bei duroplastischen Harzen.
• Das Ablegen von schmalen Einzelfäden, sowie Fiber Placement, ist ein weiteres Herstellungsverfahren, das sich besonders zur Herstellung komplexer gekrümmter Bauteile eignet. Dabei werden die vorimprägnierten Fäden einzeln zum Ablegekopf befördert, dort zu einem schmalen Faserband zusammengeführt und auf dem Bauteil abgelegt. Statt eines Harzsystems kann zur Fixierung auch ein Binder verwendet werden, so dass man einen trockenen Preform erhält, der erst anschließend mit Harz injiziert wird.
• Bei einigen Verfahren werden besonders schmale Tapes (Breite < 3 mm) oder Faserbündel (werden auch Tow genannt) verwendet. Diese Verfahren werden deshalb auch als Tow-Placement-Verfahren bezeichnet. Sie verfügen über eine große Flexibilität, indem die Fasern einzeln geschnitten und beliebig verlegt werden können. Mit kommerziell erhältlichen Anlagen können zwischen 1 und 32 Tows gleichzeitig abgelegt werden. Es ist damit möglich, Fasern auf komplexen dreidimensionalen Geometrien abzulegen und gezielte Verstärkungen zu realisieren. Faltenwurf, der bei einem Tapelegeverfahren bei zu kleinen Radien auftritt, kann durch die Anpassung der einzelnen Tows bis zu einem bestimmten Maß verringert werden. Dafür ist es erforderlich, dass neben einer individuellen Ablegegeschwindigkeit auch die Kompaktierung und der Zuschnitt der einzelnen Tows separat gesteuert wird.
• Die beiden beschriebenen Verfahren haben den Nachteil, dass bestimmte Preformgeometrien und Faserorientierungen nicht realisierbar sind. Das Tow-Placement-Verfahren ist zwar flexibler, allerdings auch beschränkt, insbesondere aufgrund der geringen Legegeschwindigkeiten auf komplexen dreidimensionalen Geometrien und bei der Herstellung kleiner Radien. Zur Herstellung von Preforms mit komplexen Geometrien und Faserorientierungen mit Tow-Placement sind sehr teure Anlagen (z.B. Legeroboter) nötig, die den Bauteilpreis in die Höhe treiben und trotzdem nur geringe Legegeschwindigkeiten erreichen.
• Auch bei der Herstellung von Multiaxialgelegen werden einzelne Rovings unter einem definierten Winkel abgelegt. Dabei handelt es sich um einen Prozess, der zwar einen hohen Massendurchsatz aufweist, aber nur die Herstellung ebener Halbzeuge mit konstant fortlaufender Faserorientierung zulässt. Werden Multiaxialgelege bei dem Aufbauen von dreidimensionalen Preforms durch Drapieren verwendet, so ändern sich die Faserwinkel innerhalb des Geleges. Im Normalfall ist diese Winkeländerung nicht erwünscht und nicht optimal auf den Preform oder das dreidimensionale Bauteil abgestimmt.
• Des weiteren ist in DE 197 16 666 A1 ein beanspruchungsgerechtes Verstärkungsgebilde zur Herstellung räumlich verformter dreidimensionaler Langfaser-Verbund-Bauteile beschrieben. Bei einem solchen Verstärkungsgebilde sollen Verstärkungsfäden in einer oder mehreren Lagen übereinander auf ein ebenes Grundmaterial aufgenäht oder am Grundmaterial positioniert und befestigt werden. Die Verstärkungsfäden werden dabei zumindest bereichsweise ganz oder zum Teil unverschiebbar mit dem Grundmaterial vernäht und in anderen Bereichen, die räumlich verformt werden, erfolgt eine verschiebbare Befestigung am Grundmaterial. An den Verstärkungsfäden ist ein Fadenvorrat vorgesehen.
• Aus DE 198 09 264 A1 ist eine Fasergelegeanordnung und ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings bekannt, wobei mindestens eine Gelegeschicht aus gleichgerichteten nebeneinander angeordneten, jeweils aus Verstärkungsfasern gebildeten Faserbündeln und mindestens eine Schicht aus einem flächenförmigen Schmelzkleber gebildet ist, die aufeinander gelegt und miteinander vernäht sind. Durch eine Erwärmung, Formgebung, Abkühlung und Entformung kann ein entsprechend dreidimensionales Gebilde hergestellt werden.
• Die DE 197 12 250 A1 betrifft ein textiles Gewirk, als Verstärkungseinlage zur Herstellung dreidimensionaler faserverstärkter Gegenstände. Dabei sollen Fasern in loser Form mit Hilfe von Schlaufen lagefixiert sein und an den Verstärkungsfasern eine Fadenreserve vorhanden sein.
• Die DE 696 03 551 T2 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Herstellung einer Armierung für ein Verbundmaterialteil. Die Armierung besteht aus übereinander liegenden Fadengelegen (insbesondere aus Kohlenstoff, Glas und Bohr) und wird später zur Herstellung des Teils in eine ausgehärtete Matrix eingelagert.
• Ausgehend hiervon ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, bei dem ein bauteilangepasster Fertigungsprozess für dreidimensional faserverstärkte Bauteile möglich ist, wobei sowohl komplexe dreidimensionale Geometrien, eine optimale Faserorientierung und eine hohe Legeleistung bei einem relativ geringen Anlagenaufwand ermöglicht werden sollen.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
• Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen einen Flächenbildungsprozess, d.h. einen Prozess zur Herstellung eines zweidimensionalen ebenen Fasergeleges, mit einem Umformprozess zu kombinieren. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei die Orientierung und die Geometrie der textilen Ausgangsmaterialien für das zweidimensionale in einer Ebene liegende Gelege durch Rückrechnung aus der dreidimensionalen Zielform bestimmt. Das neue Verfahren nutzt dabei den Umstand, daß am Ende des flächenbildenden Textilprozesses (Verfahrensschnitt a)) die Fasern noch nicht endgültig fixiert sind. Durch Umformen/Drapieren werden die an diesem Punkt noch verschiebbaren Fasern in die gewünschte Orientierung und Geometrie gebracht.
• Damit steht erstmals ein Verfahren zur Verfügung, bei dem die dreidimensionale Zielform exakt die Faserorientierung und die Geometrie aufweist, die von dem Preform gefordert wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß durch die Bildung des zweidimensionalen in einer Ebene liegenden Geleges eine, hohe Legegeschwindigkeit erreicht werden kann und daß dadurch der Anlagenauf wand minimiert ist. Die ebene Herstellung des Preforms ist dabei bauteilangepasst, so daß sich beim anschließenden Umformen/Drapieren die gewünschte Faserorientierung und Geometrie einstellt. Vor dem Legevorgang ist es deshalb erforderlich, die Faserorientierung und die Geometrie des ebenen Preforms zu berechnen, so daß sich nach dem Umformvorgang/Drapiervorgang die geforderte Faserrichtung und Geometrie einstellt. Diese Berechnungen sind an und für sich aus dem Stand der Technik bekannt. Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren handelt es sich somit um einen Preformherstellungsprozess, der gezielt auf eine spätere dreidimensionale Kontur ausgerichtet ist, die durch Umformen/Drapieren erreicht wird. Diese Orientierung und das Umformen der textilen Ausgangsmaterialien kann dabei durch einen in der Geometrie angepassten Zwischenträger und verschiedene Umformwerkzeuge erreicht werden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich mit allen aus dem Stand der Technik bekannten Ausgangsmaterialien durchführbar, so z.B. mit Fasern, Faserbündeln oder Tapes.
• Die Fixierung der Fasern kann mit allen aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen durchgeführt werden. So kann einerseits eine mechanische Fixierung, z.B. mittels Pins, Klemmelementen, Haftstreifen oder Bürsten erfolgen oder eine chemische Fixierung mittels Binder. Es ist auch möglich, mit vorimprägnierten Textilmaterialien zu arbeiten.
• Die Fixierung kann dabei vor, während oder nach dem Umformen/Drapierungsprozess erfolgen.
• Das Legen des Preforms zum zweidimensionalen in einer Ebene liegenden Flächengebilde ist mit unterschiedlichen Verfahren möglich, so z.B. durch Wickeln um Pins oder mit anderen Fixierungshilfen, durch Tow-Placement/Fibre-Placement (Prepreg oder Binder) und durch Legen von trockenen Fasern und einer Vernähung.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 näher erläutert.
• 1 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1.1 zeigt beispielhaft das Legen des Preforms 1 und der einzelnen Faserorientierungen. Die Fixierung der Fasern 2 erfolgt dabei mittels Pins, Klemmelementen, Haftstreifen oder Bürsten 3. Als textile Ausgangsmaterialien können dabei sowohl Rovings oder Faserbündel eingesetzt werden.
• Bei der Ausführungsform nach 1 wird, wie aus der 1.2 hervorgeht, nach Bildung des zweidimensionalen Fasergeleges das Preform 1 entnommen und, falls erforderlich, zugeschnitten. Wesentlich beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß ein ebenes Preform 1 vorliegt, wobei der Faserverlauf und die Geometrie vorberechnet worden ist. Die berechnete Fasergeometrie und die Orientierung wird dabei durch Rückrechnung aus der endgültigen dreidimensionalen Zielform des Preforms ermittelt.
• Nach dem Entnehmen des Preforms und dessen Zuschneiden wird dann das Preform einem Umformungs-/Drapierungsprozess unterzogen (1.3). Der dann dabei hergestellte Faserverlauf entspricht genau dem Faserverlauf, wie er beim Zielpreform sein soll.
• Nach Durchführung des Umformungsprozesses wird dann das Preform entnommen und gegebenenfalls zugeschnitten (1.4).

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms aus textilen Ausgangsmaterialien, wie Fasern, Faserbündeln oder Tapes, dadurch gekennzeichnet, a) dass die textilen Ausgangsmaterialien zweidimensional in einer Ebene abgelegt werden, wobei die einzelnen Faserorientierungen bzw. Faserverläufe der einzelnen Fasern und die Geometrie des zweidimensionalen Geleges durch Rückrechnung aus der dreidimensionalen Zielform bestimmt worden ist, b) dass durch Umformen/Drapieren des zweidimensionalen Geleges die dreidimensionale Zielform hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) eine Kompaktierung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fixierung mechanische Fixierungshilfen und/oder ein Binder eingesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Fixierungshilfen Pins, Klemmelemente, Haftstreifen oder Bürsten verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der textilen Ausgangsmaterialien durch Vernähen erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der textilen Ausgangsmaterialien durch Einbringen eines Binders vor, während oder nach dem Umformen/Drapierungsvorgang erfolgt.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als textile Ausgangsmaterialien vorimprägnierte Textilmaterialien, wie Fasern oder Faserbündel, verwendet werden.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt a) das zweidimensionale Gelege entnommen und gegebenenfalls zugeschnitten und dem dreidimensionalen Umformungs-/Drapierungsprozess zugeführt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt b) ein Zuschneiden des dreidimensionalen Preforms erfolgt.