DE10251581A1

DE10251581A1 - Verfahren zum Herstellen textiler Vorformlinge aus textilen Halbzeugen

Info

Publication number: DE10251581A1
Application number: DE10251581A
Authority: DE
Inventors: Eberth Ulrich; Joern Paul
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: DE10251581B4; DE50312393D1; ATE456993T1

Abstract

Verfahren zum Herstellen textiler Vorformlinge (Preforms) aus textilen Halbzeugen (Vorprodukten), wobei die Vorformlinge insbesondere für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen vorgesehen sind, die vorzugsweise unter Verwendung eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur sowie gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet werden. DOLLAR A Um ein bauteilangepasstes Verfahren zu schaffen, bei dem nach unterschiedlichen textilen Verfahren hergestellte zwei- oder dreidimensionale Halbzeuge für die textilen Vorformlinge verwendet werden können, werden die textilen Halbzeuge jeweils auf einem Träger mit einer den späteren Vorformlingen entsprechenden Kontur bzw. angepassten Geometrie aufgebracht. Am Ende eines faserangeordneten zwei- oder dreidimensionalen Textilprozesses werden die noch nicht endgültig fixierten Fasern der textilen Halbzeuge durch einen Umform- und Drapiervorgang in eine gewünschte Orientierung gebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen textiler Vorformlinge (Preforms) aus textilen Halbzeugen (Vorprodukten), wobei die Vorformlinge insbesondere für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen vorgesehen sind, die vorzugsweise unter Verwendung eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur sowie gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet werden.

Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffe kommen unterschiedliche textile Vorprodukte, im folgenden auch Halbzeuge genannt, zur Anwendung. Neben Geweben 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 erhöhter Temperatur ausgehärtet.

Heute werden textile Vorprodukte wie z. B. Gewebe und Geflechte am Ende des Herstellprozesses in oder auf einen Zwischenträger aufgebracht. Bei Geflechten kann es sich dabei z. B. um zylindrische Körper handeln, um die diese umlaufend bahnförmig aufgewickelt werden. Die Geometrie dieser Träger dient nicht zum Vor- oder Umformen der Halbzeuge sondern lediglich als Hilfsmittel zum Transport und zur Lagerung.

Im Laufe des weiteren Herstellungsprozesses werden die Halbzeuge von dem Zwischenträgerkörper wieder entnommen, konfektioniert und anschließend durch Umorientierung und Umformung des Fasergebildes in die gewünschte Form (sog. Preform) gebracht. Hierbei sind einige Faserorientierungen durch den Herstellungsprozess fixiert und können nachträglich nicht mehr beeinflusst werden. Aus diesem Grund sind bestimmte Bauteilgeometrien mit Halbzeugen, die vorher auf Zwischenträgern aufgebracht wurden, nicht mehr abzubilden, obwohl der eigentliche Herstellprozess diese Geometrie ermöglichen würde.

In Gebrauch sind auch kontinuierliche Verfahren, bei denen das Vorprodukt direkt nach dem Flächenbildungsprozess dem weiteren Herstellprozess zugeführt wird. Die mögliche Umorientierung und Umformung des textilen Halbzeuges geschieht jedoch ohne das der vorgeschaltete Flächenbildungsprozess darauf aktiv ausgerichtet ist.

Eine Ausnahme bildet das Umflechten von Kernen, wobei die Kerne einer gewünschten Geometrie von außen umflochten werden, um eine gewünschte Faserorientierung zu erzielen. Die verwendeten Kerne können danach entfernt werden. Die Verwendung von Kernen erlaubt allerdings nur bestimmte Geometrien der Vorprodukte. Außerdem sind die Kerngeometrie und deren Abmaße begrenzt.

Eine weitere Ausnahme sind sogenannte Rund- oder Spiralgewebe, in denen die Länge einzelner Fadensysteme (z. B. Kettfäden) variabel gestaltet wird, wodurch eine Richtungsänderung des Halbzeuges in der Ebene erzielt wird.

Die Fixierung von Vorprodukten kann mit Hilfe eines Binders 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.

Bei der Flechttechnik kann das zweidimensionale und dreidimensionale Flechten unterschieden werden. Das dreidimensionale Flechten ermöglicht es Halbzeuge mit einer definierten Querschnittsgeometrie zu erstellen, die auch während des Herstellprozesses verändert werden kann. Durch voneinander unabhängige Führung der einzelnen Fäden des Geflechts können z. B. L- oder U-förmige Querschnitte der Vorprodukte erzeugt werden. Die entstehenden Fasergebilde sind endkonturnah und weisen ein mäßiges Drapierverhalten auf. Das zweidimensionale Flechten wird in sog. Rundflechtmaschinen realisiert. Bei dem dabei entstehenden Halbzeug handelt es sich um ein schlauchförmiges Gebilde, in das keine Fasern mit einer Orientierung in radialer Richtung (90° zur Oberfläche des Schlauchs) eingebracht werden können.

Zweidimensionale Geflechte sind gut drapierbar und können als flaches oder schlauchförmiges Halbzeug weiterverarbeitet werden. Während des Flechtvorgangs ist es möglich, durch Umfiechten von Kerngeometrien definierte Faserorientierungen und Halbzeuggeometrien zu erreichen. Durch das Einbringen gestreckter Fasern (sog. Stehfäden) in Abzugsrichtung wird die Drapierfähigkeiten in einigen Raumrichtungen vermindert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein bauteilangepasstes Fertigungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem nach unterschiedlichen textilen Verfahren hergestellte zwei- oder dreidimensionale Halbzeuge für die textilen Vorformlinge verwendet werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die textilen Halbzeuge jeweils auf einem Träger mit einer den späteren Vorformlingen entsprechenden Kontur bzw. angepassten Geometrie aufgebracht werden, und dass am Ende eines flächenbildenden Textilprozesses die noch nicht endgültig fixierten Fasern der textilen Halbzeuge durch einen Umform- und Drapiervorgang in eine gewünschte Orientierung gebracht werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Halbzeuge nicht erst auf Zwischenträger aufgebracht werden, sondern auf einen Träger, der eine dem späteren Bauteil oder Vorformling angepasste Kontur aufweist. Dabei ist eine Interaktion, d. h. eine Wechselbeziehung, zwischen dem Flächenbildungsprozess und dem Umform- bzw. Drapierprozeß möglich, so dass z. B. die unterschiedlichen Abzugslängen von Stehfäden beim Umformen in eine Scheibe berücksichtigt werden können. Durch Umformen und Drapieren werden vorteilhafterweise noch verschiebbare Fasern in eine gewünschte Orientierung gebracht. Im Unterschied zum Flechten um Kerne, sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren andere Faserorientierungen und Geometrien möglich. Die Abmaße der Vorformlinge und deren Geometrie sind weit weniger eingeschränkt. Z. B. können zylindrische Vorformlinge mit in Abzugsrichtung über 360°-umlaufenden Fasern gefertigt werden.

Es ist also vorteilhafterweise möglich, den Zwischenschritt des Aufbringens des Halbzeuges auf einen Zwischenträger auszulassen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Flächenbildungsprozess und Umformprozess verbunden, so dass Geometrien realisiert werden können, die mit den herkömmlichen Herstellprozessen nicht möglich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Zustand, dass am Ende des flächenbildenden Textilprozesses die Fasern noch nicht endgültig fixiert sind. Durch Umformen und Drapieren werden die an diesem Punkt noch verschiebbaren Fasern in eine gewünschte Orientierung gebracht. Diese Orientierung kann z. B. durch einen, in der Geometrie angepassten Zwischenträger realisiert werden. Das Wegfallen des Zwischenschritts hat den Vorteil, dass Beschädigung und Ondulation der Fasern durch Handhabungen verringert werden können.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 beschrieben. Hierbei wird berücksichtigt, dass schon während des Flechtens die Fasern durch entsprechende Umformhilfen und Führungen vororientiert werden können. Der direkt an den textilen Herstellungsprozess anschließende Umform- und Drapiervorgang ist durch unterschiedliche Verfahren und Werkzeuge realisierbar. Denkbar sind z. B.:

A) Ziehen durch ein oder entlang eines Umformwerkzeug (Matrize), das den Querschnitt und z. T. auch die Faserorientierung verändert (z. B. ermöglicht eine gekrümmte Matrize das Drapieren der Stehfäden im Flechtschlauch).
B) Wickeln auf einen Umformwerkzeug (Matrize), das den Querschnitt und z. T. auch die Faserorientierung verändert.
C) Pressen oder Drücken in oder entlang eines Umformwerkzeuges (Matrize), das den Querschnitt und z. T. auch die Faserorientierung verändert.

Neben dem Umformen und Drapieren kann das Halbzeug gleichzeitig kompaktiert werden.

Die Fixierung der Fasern kann nach dem Umform- und Drapierungsvorgang über die Fasern selbst, einen Binder oder über ein Matrixsystem geschehen:

a) Fixierung durch die Fasern selbst: Durch die Reibung, die die Fasern gegeneinander haben, wird ein Verrutschen verhindert.
b) Fixierung durch Binder: Durch Einbringen eines Binders vor, während oder nach dem Umform- bzw. Drapierungsvorganges werden die Fasern fixiert.
c) Fixieren durch Matrixmaterial: Vor, während oder nach dem Umform- bzw. Drapierungsvorganges wird der Matrixwerkstoff in die Fasern eingebracht und
d) teilweise oder vollständig gehärtet oder die Viskosität des Harzes herabgesetzt. Dieses ermöglicht die Fixierung der Fasern.

Für das erfindungsgemäße Verfahren sind grundsätzlich viele unterschiedliche textile Herstellungsverfahren denkbar, beispielsweise:

a) Textile Herstellungsverfahren für zweidimensionale Gebilde (z. B. 2D-Weben, 2D- Wirken, Stricken, 2D-Flechten, Vliesstoffe) oder
b) Textile Herstellungsverfahren für dreidimensionale Gebilde (z. B. 3D-Weben, Abstandsgewirke, Stricken, 3D-Flechten)

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm für einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig. 2a und 2b eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 1 in Vorder- und Seitenansicht.
In Fig. 1 sind zur Erklärung des allgemeinen Konzeptes am Beispiel eines Flechtprozesses folgende Verfahrensschritte in Form von Blöcken zum Herstellen eines textilen Vorformlings aus einem textilen Halbzeug (Vorprodukt) zeichnerisch dargestellt: Flechtprozess 1 für ein lockeres und drapierfähiges Vorgeflecht 2; möglicher Auftrag 3 eines Binders auf das Vorgeflecht, z. B. pulverförmigen Binders; Umform- bzw. Drapiervorgang 4 des Vorgeflechts 2; Fixieren 5 des Vorgeflechts 2 zu einem textilen Halbzeug; Aufbringen 6 des textilen Halbzeuges auf einen Träger sowie anschließende Verarbeitung 7 des Halbzeuges zu einem textilen Vorformling, der für die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffgegenstandes vorgesehen ist. Zwischen dem Flechtprozess 1, d. h. dem Flächenbildungsprozess 1, und dem Umform- bzw. Drapiervorgang 4 kann eine Wechselwirkung stattfinden, welches durch die Verbindungslinie 8 verdeutlicht ist.
Die aus Fig. 2a und Fig. 2b ersichtliche prinzipielle Vorrichtung, neben der auch andere Vorrichtungsbeispiele möglich sind, zeigt ein rotierendes Träger- und Umformwerkzeug 9, welches eine Trommel 10 mit einer seitlich an der Trommel 10 befestigten Begrenzungsscheibe 11 aufweist, deren Durchmesser über den Durchmesser der Trommel 10 hinausgeht. Auf die Trommel 10 wird das lockere, drapierfähige und eventuell mit einem Binderauftrag versehene Vorgeflecht 2 aufgelegt, wo- bei die Trommel 10 gleichzeitig zur fixierten Lagerung des Vorgeflechtes 2 als auch zum Transport des umgeformten Halbzeuges dient. Wie aus Fig. 2b zu entnehmen ist, können zusätzliche Unform- und Anpressrollen 12 für das Halbzeug vorgesehen sein, die gegebenenfalls auch mit einer Heiz- oder auch Kühlvorrichtung für den Binder ausgerüstet sind. Wie der Fig. 2b weiterhin zu entnehmen ist, können Stehfäden, d. h. gestreckte Fasern, gleicher Länge 13 auf dem Umfang der Trommel 10 angeordnet sein, während Stehfäden mit variabler Länge 14 an der überstehenden Ringfläche der Begrenzungsscheibe 11 anliegen.
Ein ähnliches Prinzip wird auch bei der Webtechnik angewendet, in dem die Länge einzelner Fadensysteme (z. B. Kettfäden) variabel gestaltet wird. Somit wird eine Richtungsänderung in der Ebene der textilen Fläche erzielt. Eine solche Technik wird für sogenannte Rund- oder Spiralgewebe angewandt. Allerdings geschieht diese Richtungsänderung ausschließlich in einer Ebene. Das neue Konzept würde durch Umformen und Drapieren direkt nach dem Webprozess auch eine dreidimensionale Halbzeuggeometrie zulassen. Bezugszeichenliste 1 Flechtprozess
2 Vorgeflecht
3 Binderauftrag
4 Umform- bzw. Drapiervorgang
5 Fixieren des Vorgeflechtes
6 Aufbringen des textilen Halbzeuges
7 Verarbeitung des Halbzeuges
8 Verbindungslinie für Wechselwirkung
9 Träger- und Umformwerkzeug
10 Trommel
11 Begrenzungsscheibe
12 Umform- und Anpressrollen
13 Stehfäden gleicher Länge
14 Stehfäden mit variabler Länge

Claims

1. Verfahren zum Herstellen textiler Vorformlinge (Preforms) aus textilen Halbzeugen (Vorprodukten), wobei die Vorformlinge insbesondere für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffen vorgesehen sind, die vorzugsweise unter Verwendung eines Matrixsystems mit einem Klebeharz getränkt und unter erhöhter Temperatur sowie gegebenenfalls erhöhtem Druck ausgehärtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die textilen Halbzeuge jeweils auf einem Träger (9) mit einer den späteren Vorformlingen entsprechenden Kontur bzw. angepassten Geometrie aufgebracht werden, und dass am Ende eines faserangeordneten zwei- oder dreidimensionalen Textilprozesses (1) die noch nicht endgültig fixierten Fasern (14) der textilen Halbzeuge durch einen Umform- und Drapiervorgang (4) in eine gewünschte Orientierung gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unfixierten Fasern (14) durch Ziehen durch bzw. entlang eines den Querschnitt und zum Teil auch die Orientierung der Fasern verändernden Umformwerkzeuges (9) orientiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Umformwerkzeug (9) eine gekrümmte Matrize zum Drapieren definierter in den Prozess einlaufender Halbzeuge, die auch Stehfäden enthalten können in einem textilen Halbzeug verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unfixierten Fasern durch Wickeln oder Ablegen auf einem den Querschnitt des textilen Halbzeuges und zum Teil auch die Orientierung der Fasern verändernden Umformwerkzeug (9) orientiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unfixierten Fasern durch Pressen oder Drücken in oder entlang eines den Querschnitt des textilen Halbzeuges und zum Teil auch die Orientierung der Fasern verändernden Umformwerkzeuges (9) orientiert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Matrize als Umformwerkzeug (9).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern durch die ein Verrutschen verhindernde Reibung der Fasern gegeneinander fixiert werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern durch Einbringung eines Binders vor, während oder nach einem Umform- bzw. Drapierungsvorgang fixiert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern durch Einbringung und teilweise oder vollständige Aushärtung des Matrixwerkstoffes vor, während oder nach einem Umform- bzw. Drapierungsvorgang (4) fixiert werden.