DE10252671C1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, dreidimensionalen Kunststoffteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten dreidimensionalen Kunststoffteilen unter Verwendung von armierenden, mehrschichtigen Fadengelegen (7a) mit überweigend gestreckten Fäden oder Fasersträngen in jeder Schicht (71a, 72a, 73a, 74a, 75a), mit einem Maschenverbund (8) aus natürlichen oder künstlichen Fäden oder Fasern, der die übereinander angeordneten Schichten des Fadengeleges (7a) aneinander und die Fasern oder Fäden jeder Schicht in ihrer jeweiligen Ausrichtung vorfixiert, und unter Verwendung von Matrixwerkstoffen, die das der Form angepasste Fadengelege durchdringen und schließlich in einer vorgegebenen Form aushärtend umschließen, wobei der Maschenverbund (8, 80) des in Bahnform vorbereiteten Fadengeleges (7a) partiell in ausgewählten Bereichen (84') und/oder entlang von Linien (84), die die Maschenstäbchen (80) kreuzen, unterbrochen werden und wobei das Fadengelege (7) mit dem partiell unterbrochenen Maschenverbund (8, 80) in der dreidimensionalen Form ausgebreitet und mit dem aushärtenden Matrixwerkstoff umgossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten, dreidimensionalen Kunststoffteilen unter Verwendung von armierenden, mehrschichtigen Fadengelegen mit mindestens einer, Schicht aus Strah­ lungsenergie absorbierenden Fasern, insb. Kohlenstofffasern, mit einem Maschenverbund aus natürlichen oder künstlichen Fasern, der die über­ einander angeordneten Schichten des Fadengeleges aneinander und die Fasern oder Fäden jeder Schicht in ihrer jeweiligen Ausrichtung vorfixiert, und unter Verwendung von Matrixwerkstoffen, die das Fadengelege durchdringen, umschließen und schließlich in einer vorgegebenen Form aushärten.

Es ist allgemein bekannt, Fadengelege, die Fadenschichten mit gestreck­ ten Fäden oder Fasern unterschiedlicher Ausrichtung besitzen, durch eine Vielzahl - meist in Fransen- oder Trikotlegung - nebeneinander angeord­ neter Maschenstäbchen eines Maschenverbundes so miteinander zu ver­ binden, dass ihre gegenseitige Lage und die Lage der Fäden innerhalb ihrer Schichten nahezu formschlüssig fixiert werden. In einem folgenden Arbeitsgang wird diese Schicht mit Kunststoff oder Harz getränkt und härtet in der dann vorgegebenen Lage aus.

Die Anwendung derartiger Fadengelege war im Wesentlichen auf überwie­ gend ebene oder nur flach gebogene und ausgeformte Werkstücke be­ schränkt. Dabei wurde darauf geachtet, dass die Größe der Verformung keine Faltenbildung verursacht.

Durch die EP 0 754 795 A1 und die DE 30 03 666 A1 ist es bekannt, das armierende Fadengelege für ein dreidimensionales Werkstück direkt in einer räumlichen Form herzustellen. Das vorbereitete, räumliche, mit Stiften auf einer Form zunächst vorfixierte Fadengelege wird von den Stiften gelöst, in eine Gießform verbracht und mit Harz oder Kunststoff umgossen. Dieser Vorgang ist im hohen Maß zeitaufwändig. Zudem ist es schwierig das dreidimensionale Fadengelege in konvexen Formenberei­ chen von den Stiften zu lösen und in die Gießform zu übertragen. Un­ möglich ist es, ein rationell herstellbares Halbzeug für unterschiedliche dreidimensionale Werkstücke zu verwenden.

Mit der DE 41 39 714 C2 wird eine weitere Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Fadengeleges vorgeschlagen. Mittels eines räumlich bewegbaren Fadenlegers wird auf einer dreidimensionalen Lochplatte ein entsprechendes Fadengelege erzeugt und an Ablenkpunkten mittels einsteckbarer Nadeln partiell auf dieser fixiert. Das so vorgefertigte Faden­ gelege wird nach einer Vorfixierung der Form - z. B. mit adhäsiven Stoffen - in ein Werkzeug einer Gieß- oder Spritzmaschine eingebracht und dort mit Matrixmaterial umgeossen. Auch diese Form der Herstellung dreidi­ mensionaler Gebilde ist kosten- und zeitaufwändig.

Für die Herstellung eines dreidimensionalen Bauteiles - z. B. einer Boden­ platte eines Kraftfahrzeuges - werden gemäß DE 196 08 127 A1 mittels Maschenverbund vorverfestigte, ebene Fadengelege mit unterschiedlich ausgerichteten Verstärkungslagen zugeschnitten, an den entsprechend belasteten Abschnitten aufgelegt und miteinander vernäht. Das so vor­ bereitete Verstärkungsgelege wird anschließend in eine dreidimensionale Form verbracht und unter Anwesenheit eines aushärtbaren Matrix­ materials räumlich verformt. In den zu verformenden Bereichen ist die Zahl der Lagen begrenzt, so dass das Entstehen von Falten weitgehend ausgeschlossen ist.

Der Nachteil dieser Verfahrensweise besteht vor allem in der erheblichen Zahl an aufwändigen, manuell auszuführenden Arbeitsgängen. Ein weite­ rer Nachteil ist, dass in den stark zu verformenden Bereichen meist nur eine Verstärkungslage vorgesehen ist und damit die Festigkeit fast aus­ schließlich auf die Stabilität des Matrixwerkstoffes zurückzuführen ist. Die so erzeugten Teile weisen - wegen der notwendigerweise hohen Wand­ dicke - ein hohes Gewicht und reduzierte Festigkeitswerte auf.

Hat man in stark zu verformenden Bereichen aus anderen Gründen meh­ rere sich kreuzende Verstärkungslagen vorgesehen, werden diese meist kleinflächigen Abschnitte vor der Umformung genadelt, so dass ein erheb­ licher Teil der zu verformenden Fasern getrennt wird. Diese getrennten Einzelfasern setzen der Verformung einen geringeren Widerstand ent­ gegen. Eine Faltenbildung kann man mit dieser Maßnahme kaum vermei­ den, weil ein großer Teil der stark belastbaren Fasern noch ungetrennt ist.

Mit dem Ziel, eine gewisse räumliche Verformbarkeit eines in einer Ebene hergestellten multiaxialen Fadengeleges zu ermöglichen, wird mit der DE 196 24 234 A1 vorgeschlagen, in einem gesonderten Arbeitsgang generell einen Teil der gestreckten Fasern der verschiedenen Schichten - ebenso, wie in der DE 196 08 127 A1 beschrieben - zu trennen, um damit ein gegen­ seitiges Verschieben der Schichten zu ermöglichen.

Mit einer solchen Maßnahme kann man die Verformbarkeit auch nicht konfektionierter Fadengelege jedoch nur in begrenztem Maße verbessern. Selbst dann, wenn nur noch wenige ungetrennte Fasern verbleiben, ist in stark zu verformenden Bereichen eine Faltenbildung nach wie vor nicht zu vermeiden. Insgesamt wird die Festigkeit des faserverstärkten Kunststoff­ teiles deutlich reduziert.

Nach einem weiteren Verfahren werden zur Herstellung eines Faden- oder Fasergeleges zur Verstärkung räumlich ausformbarer Werkstücke - gemäß DE 196 24 912 C2 - in einem ersten Arbeitsgang zwei bahnförmi­ ge Fasergelege aus unregelmäßig angeordneten Fasern erzeugt und mittels adhäsiver Stoffe einer Vorverfestigung unterzogen.

Zwischen dem oberen und dem unteren vorverfestigten Fasergelege werden entsprechend dem späteren Einsatz dieser Halbzeuge endlose Fadenscharen dort eingelegt, wo eine höhere Belastbarkeit erwünscht ist. Die Lage dieser Fadenscharen wird bis zu einer flächendendecken den Vorverfestigung - Kalandrieren oder Wirken eines Maschenverbundes - vorübergehend mittels Nadelraupen fixiert.

Der so geschaffene Verbund eines bandförmigen Fadengeleges wird später einer Zuschneideinrichtung zugeführt. Die Zuschnitte werden in dreidimensionale Formen eingelegt, umgeformt und mit Matrixmaterial umgossen. Beim Umformen in einer bestimmten Größenordnung ent­ stehen Falten, wenn man überschüssige Flächenbereiche nicht aus­ schneidet. Schneidet man dagegen überschüssige Flächenbereiche her­ aus, dann unterbricht man den verstärkenden Verbund. Nähte und Über­ lappungen wirken sich ähnlich störend aus wie Falten. Die derart gestalte­ ten Fadengelege erfordern - so wie bereits beschrieben - eine größere Anhäufung von Matrixmaterial, um die Anwesenheit der Falten oder Nähte zu verbergen. Außerdem erfordert das Konfektionieren der Fadengelege einen erheblichen Zeitaufwand. Die so hergestellten Werkstücke sind teuer. Der Einsatzbereich derartig verstärkter Werkstücke bleibt begrenzt.

Durch die DE 100 05 202 A1 wird zur rationellen Herstellung dreidimen­ sionaler Werkstücke aus bahnenförmig vorgelegten, multiaxialen Faden­ gelegen vorgeschlagen, anstelle der Vorverfestigung durch eine Vielzahl paralleler Maschenstäbchen die Vorverfestigung durch beliebig orientierte einzelne Nähte vorzunehmen und so eine Vorfixierung nur an den Stellen vorzunehmen, wo keine oder nur eine geringe räumliche Verformung vorgesehen ist. Die beliebig orientierten Nähte sollen mit Hilfe von in einer Ebene beliebig verfahrbarer Nähköpfe an dem kontinuierlich hergestellten Fadengelege erzeugt werden.

Eine solche Verfahrensweise ist nur bei relativ schmalen Fadengelegen anwendbar. Das Anbringen von Nähten an nicht vorverfestigten Fadenge­ legen erfordert mit hoher Präzision synchron zueinander bewegbare Arbeitselemente oberhalb und unterhalb des Fadengeleges. Die räumliche Bewegung dieser Arbeitselemente lässt sich bei den üblichen großen Abmessungen nicht mit der nötigen Präzision steuern. Verwendet man für das Anbringen der Nähte z. B. das Überwendlich-Nähen, kann man auf gesteuerte Arbeitswerkzeuge (Greifer oder Schiffchen) auf der unteren Gelegeseite verzichten. Diese Art des Nähens führt jedoch zu einer recht wulstigen Naht, die in gleicher Weise nachteilig und unerwünscht ist wie Überlappungen oder Falten.

Ein weiteres Problem beim Anbringen beliebig orientierter Nähte an einem zunächst noch unverfestigten Fadengelege großer Breite besteht darin, das Fadengelege in der für den Nähprozess nötigen, horizontalen, vertikal definierten Ebene zuverlässig zu führen. Die meist unterschiedlich durch­ hängenden, einzelnen Fäden oder Fasern der unteren Lage lassen regel­ mäßig einen zuverlässigen Nähvorgang nicht zu. Damit ist auch diese Verfahrensweise nicht geeignet, das anstehende Problem zu lösen.

Mit der EP 1 057 605 A1 bzw. der DE 199 25 588 A1 wird, mit dem Ziel, mögliche Initiierungspunkte für Schädigungen im Übergangsbereich zwi­ schen Matrixmaterial und Faserverbund zu vermeiden, vorgeschlagen, ein besonderes Fadenmaterial für die Herstellung des Maschenverbundes einzusetzen. Das Fadenmaterial soll sich - wie bereits in der DE 196 08 127 A1 erwähnten Art - bei Anwesenheit von flüssigem Matrixmaterial auflösen und mit diesem zu einer Einheit verbinden.

Auch mit dieser Maßnahme ist es nicht möglich, beim dreidimensionalen Verformen des Fadengeleges vor dem Einbringen des flüssigen Matrixma­ terials die Faltenbildung zu vermeiden. Nach dem Einbringen des Matrix­ materials ist dann, wenn der Maschenverbund schließlich aufgelöst ist, kaum noch Bewegungsraum für die Verteilung der Faden- oder Faser­ schichten vorhanden. Die Falten bleiben weitgehend erhalten.

Durch die DE 100 60 379 A1 ist es bekannt, anstelle eines Fadengeleges mit gestreckten Fäden oder Fasersystemen, spiralförmige Faserlagen vorzusehen. Das gegenseitige Vorfixieren der Faserlagen erfolgt durch bei niedrigen Temperaturen schmelzbare, einzeln verteilte Fasern oder Parti­ kel, die unmittelbar nach dem Ablegen auf dem Fadengelege durch Erhit­ zen aktiviert werden. Die Schmelztemperatur dieser Fasern oder Partikel liegt unter derjenigen der Matrixmaterialien. Diese Schmelztemperatur herrscht auch in der dreidimensionalen Form, bevor das ebene Fadenge­ lege eingebracht wird. Das Fadengelege lässt sich dadurch leicht und mit Einschränkungen nahezu faltenfrei verformen.

Als Nachteil ist jedoch zu vermerken, dass die Belastbarkeit eines solchen Bauteiles bezogen auf eine vorgegebene Dicke des Fadengeleges be­ grenzt ist. Die so erzeugten Bauteile sind nach wie vor noch zu schwer und die erwünschte Reduzierung der Masse ist nicht realisierbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschla­ gen, das es ermöglicht, ein in einer Ebene hergestelltes, mehrschichtiges, multidirektionales Fadengelege mit überwiegend gestreckt vorgelegten Fadenlagen möglichst falten- und überlappungsfrei in eine einfach gestal­ tete dreidimensionale Gießform einzubringen und den Umfang an Konfek­ tionierungsarbeiten zu reduzieren. Durch die Vermeidung von Überlappun­ gen und Falten soll insgesamt eine Reduzierung der Wanddicken der Verbundwerkstücke erreicht werden.

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise durch die Verfah­ rensschritte nach Anspruch 1 gelöst. Durch die partielle Unterbrechung ausschließlich von Maschen des Maschenverbundes bleiben die Faden­ schichten beim Umformen in eine dreidimensionale Form in ihrer wesentli­ chen Struktur erhalten. Durch den geschaffenen, zusätzlichen Freiheits­ grad ergibt sich die Möglichkeit einer Verlagerung der ungetrennten Fäden oder Fasern in den Bereich mit starker Verformung. Durch diese Verlage­ rung verteilen sich die Fasern oder Fäden gleichmäßig auf einer ver­ größerten Fläche. Ihre stabilisierende Funktion bleibt weitgehend erhalten.

Der Umformvorgang ähnelt dem Tiefziehvorgang von Metallteilen. Falten und Überlappungen des Fadengeleges werden bei vielen Anwendungs­ fällen vermieden. Die für das Bauteil zu konzipierende Wanddicke kann auf ein Minimum reduziert und beim Bau der Vorrichtung berücksichtigt werden.

Verwendet man die Modifikation des Verfahrens nach Anspruch 2, dann kann man mit der unterschiedlichen Absorptionsfähigkeit von Faden und Faserwerkstoffen für die exakte Positionierung der Trennstellen der Ma­ schen des Maschenverbundes sorgen und eine Schädigung angrenzender Faser- oder Fadenschichten vermeiden. Die thermisch trennende Wirkung des Laserstrahles tritt nur an der an der dunklen, dem Laserstrahl zu­ gewandten Oberfläche der Fasern, z. B. Kohlenstofffasern, auf. Die vorzugs­ weise eingesetzten Kohlenstofffasern wiederstehen der durch die Absorption des Laserlichtes entstehenden Temperatur, während der Wirkfaden des Maschenverbundes schmilzt oder verbrennt.

Positioniert man die das Laserlicht absorbierende Faden- oder Faser­ schicht gemäß Anspruch 3 auf der vom Abschlag geführten Seite des Maschenverbundes, dann trifft der von eben dieser Seite gerichtete Laser­ strahl auf die Teile der Nadelmaschen. Es werden die beiden Schenkel der Nadelmaschen meist auch im Bereich der Bindungsstelle des Ma­ schenkopfes der folgenden oder vorherigen Masche miteinander ver­ schmolzen und verhindern so den Maschenlauf in den verbleibenden Bereichen bei üblicher Belastung. Findet dagegen ein Tiefziehvorgang statt, können solche Verbindungen leicht platzen. Der Maschenverbund löst sich dann so weit auf, wie es für eine faltenfreie Umformung notwen­ dig ist.

In vielen Fällen ist es ausreichend und zweckmäßig, gemäß Anspruch 4 das partielle Trennen des Maschenverbundes erst unmittelbar vor dem Umformprozess vorzunehmen. Man kann so den Trennvorgang aus­ schließlich auf die Bereiche begrenzen, in denen er unbedingt erforderlich ist. Auch eine aufwändige Lagerhaltung an speziell vorbereiteten Faden­ gelegen wird vermieden.

Die Verfahrensweise nach Anspruch 5 wird man regelmäßig dann wählen, wenn ausreichend große Stückzahlen von faserverstärkten Kunststoff­ teilen gleicher oder ähnlicher Form hergestellt werden sollen.

Die gleichmäßig verteilte Unterbrechung des Maschenverbundes nach Anspruch 6 wird regelmäßig dann verwendet, wenn man sehr viele, unter­ schiedliche, begrenzt umformbare Kunststoffteile aus dem gleichen, vor­ bereiteten bahnförmigen Halbzeug herstellen will.

Eine besseres Handhaben zugeschnittener Fadengelege erreicht man durch das Anbringen beliebiger partiell verteilter Nähte nach Anspruch 7.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Die dazu gehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Legeanordnung für ein mehrschichtiges Fadengelege mit mehreren, der Wirkstelle nachgeordneten Arbeitselementen für die Vorbereitung des Fadengeleges zur dreidimensionalen Umformung,

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Darstellung eines mehr­ schichtigen Fadengeleges im Bereich der Wirkstelle mit unmittelbar nachgeordnetem Laserkopf zum partiellen Tren­ nen des Maschenverbundes,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Fadengelege entlang eines Maschenstäbchens mit trennendem Laser auf der Seite der Platinenmaschen,

Fig. 4 eine Ansicht analog zu Fig. 3 mit einem auf die Nadelma­ schen gerichteten Laser,

Fig. 5, 5a zwei Ansichten eines für die dreidimensionale Verformung vorgesehenen Fadengeleges,

Fig. 6, 6a zwei Ansichten einer Ausführungsvariante eines abschnitts­ weise dreidimensional verformbaren Fadengeleges und

Fig. 7, 7a zwei Ansichten einer weiteren Variante eines dreidimensio­ nal unterschiedlich verformbaren Fadengeleges.

In Fig. 1 ist eine schematische Gesamtansicht einer Anlage zur Vorberei­ tung von dreidimensional verformbaren Fadengelegen dargestellt.

Das Fadengelege 7 wird in an sich bekannter Weise zwischen zwei obe­ ren Trums von Transportketten 1, 1' vorbereitet. Zu diesem Zweck sind Fadenleger 21, 22, 23 in unterschiedlichen Winkeln zur Richtung der Transportketten 1, 1' geführt - in wechselnden Richtungen über beide Transportketten bewegbar.

Die durch den jeweiligen Fadenleger 21, 22, 23 gelegten Fadenscharen können außerhalb der Hakenreihe der Transportketten 1, 1' in oder gegen die Bewegungsrichtung der Transportketten 1, 1' versetzt werden, so dass alle Fäden jeder Fadenlage parallel zueinander ausgerichtet sind. Die jeweilige Richtung der von oben sichtbaren Fadenschicht (eine Fadenlage ist in der Regel eine Fadenschicht 71, 72, 73, 74, 75) ist jeweils in einem Kreis in Form paralleler Linien dargestellt.

Das fertig zusammengestellte Fadengelege 7 wird in an sich bekannter Weise der Wirkstelle 3 einer Kettenwirkmaschine zugeführt. Diese Ketten­ wirkmaschine hat eine Nadelbarre, die mit einer Zahl von Nadeln besetzt ist. Diese Nadeln durchdringen jeweils das Fadengelege 7 von unten nach oben, erfassen oben einen Wirkfaden und bilden Maschenstäbchen 80 aus. Die Platinenmaschen 81 dieses Maschenverbundes 8 können jeweils durch den Wirkfadenführer zu anderen Nadeln versetzt werden, so dass unterschiedliche Bindungen entstehen (Samt, Trikot, Franse, Atlas).

Der Wirkstelle 3 der Kettenwirkmaschine können - nach dem Beispiel der Fig. 1 - in Arbeitsrichtung folgend, in der Ebene des Fadengeleges 7 bewegbare Nähköpfe 41, 41' zugeordnet sein. Diese Nähköpfe 41, 41' können das Fadengelege partiell zusätzlich durch beliebig gerichtete Nähte 83 verfestigen. Die Nähköpfe 41, 41' können nach dem Prinzip des Überwendlich-Nähens gestaltet sein. Sie bringen die zusätzlichen Ver­ stärkungsnähte 83 allein von der Oberseite des Fadengeleges her an. Solche zusätzlichen Nähte können später auszuschneidende Teile in einzelnen ausgewählten Bereichen verstärken bzw. das Auflösen eines Zuschnittes an den Trennkanten vermeiden.

Insbesondere bei stärkeren Fadengelegen - z. B. 7a - ist es zweckmäßig, hierfür verzugsfreie Nahtformen zu verwenden, die keine Wulstbildung am Fadengelege verursachen. Für die Herstellung solcher Nähte sind regel­ mäßig Arbeitselemente über und unter dem Fadengelege 7 anzuordnen, die präzis zusammenwirken, um gemeinsam den erforderlichen Naht­ verbund zu schaffen. Mit derartigen Nähvorrichtungen können stabile und verzugsfreie Kettenstich- oder Steppstichnähte ausgeführt werden.

Zur Bewegung der Nähköpfe in der Ebene des Fadengeleges sind die Nähköpfe 41, 41' an Gestängen 43, 43' geführt. Die gesamte Einheit ist an bewegbaren Schlitten 44, 44' gelagert, die an den Führungen 42, 42' gesteuert angetrieben gleiten. Das Gestänge 43, 43' kann eine gesteuerte Schwingbewegung ausführen, so dass die herzustellenden Nähte 83 durch die Kombination der Bewegung der Schlitten 44, 44' praktisch beliebig positioniert und ausgerichtet werden können.

Diese Nähvorrichtungen 4, 4' sind fakultativ einsetzbar, wenn es die Gestaltung der herzustellenden Kunststoffteile es erfordert.

Dem Arbeitsbereich 4 der Nähköpfe 41, 41' ist eine Laser-Trenneinrich­ tung 5 nachgeordnet. Diese Laser-Trenneinrichtung 5 besitzt im vorliegen­ den Beispiel zwei unabhängig voneinander bewegbare Laserköpfe 51, 51'. Diese Laserköpfe 51, 51' erzeugen je einen energiereichen Lichtstrahl, der hier gegen die Platinenmaschen 81 der Maschenstäbchen 80 gerichtet ist. Die an die Platinenmaschen 81 angrenzende äußere Schicht 71 des Fadengeleges 7 besteht aus einem das Licht absorbierenden Werkstoff und ist bei deutlich höherer Temperatur als der Wirkfaden aufschmelzbar. Im Bereich der Oberfläche der absorbierenden Schicht 71 erzeugt der Laserkopf 51 in einem Bereich 84' eine derart hohe Temperatur, dass der Nähfaden dort schmilzt oder verbrennt. Der Maschenverbund wird auf diese Weise partiell unterbrochen.

Der Laserstrahl wird entlang von Trennlinien 84 bewegt und schmilzt in dem die Trennlinie umgebenden Bereich 84' ausschließlich Teile des Wirkfadens auf. Die Fasern der obersten Schicht absorbieren das Licht derart, dass die darunter liegenden anderen Fadenschichten 72, 73, 74, 75 unabhängig von der Art ihres Werkstoffes erhalten bleiben. Die absor­ bierende Schicht schmilzt erst bei deutlich höherer Temperatur, so dass das Fadengelege insgesamt erhalten bleibt. Das abschnittweise unter­ brochene Maschenstäbchen 80 hält bei normaler Belastung das Fadenge­ lege noch zusammen. Im Bereich einer stärkeren, räumlichen Verformung des Fadengeleges 7 gibt das unterbrochene Maschenstäbchen 80 die Fäden der einzelnen Schichten frei, so dass diese sich gegeneinander nahezu ungehindert bewegen können. Bei einem Tiefziehvorgang setzen sie der Umformung einen nur geringen Widerstand entgegen.

Die Bauelemente zur Führung der Laserköpfe sind analog zu den Füh­ rungselementen der Nähköpfe ausgebildet. Die Bezeichnungen unter­ scheiden sich nur durch die Zahl 5 anstelle der Zahl 4 in der Zehner­ position des Bezugszeichens. Die Laserköpfe 51, 51' sind in ihrem Be­ reich parallel zum Fadengelege 7 beliebig bewegbar. Die Bewegungs­ bahnen können mittels computergesteuerter Servomotoren realisiert werden (nicht gezeigt).

Vorzugsweise im Anschluss an ein nachfolgendes Führungswalzenpaar 55 werden die durch Zusatznähte 83 verstärkten und in verformbaren Bereichen mit getrennten Maschenstäbchen 80 versehenen Fadengelege 7 einer Zuschneideinrichtung 6 zugeführt. Die Zuschneideinrichtung 6 ist mit entsprechenden Schneidelementen 61, 61' ausgestattet, die sowohl mechanische als auch thermische oder in sonstiger Weise wirkende Trennvorrichtungen besitzen können. Mit dieser Zuschneideinrichtung 6 wird endgültig die Form des Zuschnittes bestimmt, die später in die Gieß­ form eingelegt werden kann. In der geschlossenen Gießform wird dann das zugeschnittene Fadengelege 76, 77, 78 mit einem Kunststoff oder Harz umgeben. Diese härten aus und behalten die Form des faserver­ stärkten Kunststoffteiles.

Im Beispiel der Fig. 1 sind die Nähköpfe 41, die Laserköpfe 51 und die Zuschneidköpfe 61 unmittelbar der Wirkstelle 3 nachgeordnet. Es ist natürlich auch möglich, das an der Wirkstelle 3 vorverfestigte Fadengele­ ge 7 zunächst auf einem Wickel zu speichern und die Arbeitsgänge an dem Fadengelege 7 auszuführen, das von dem Wickel abgezogen wird.

Es ist zweckmäßig, die einzelnen Vorrichtungen 4, 5, 6 unmittelbar nach­ einander anzuordnen, um wiederholte anpassende Positioniervorgänge zu vermeiden.

Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines mehrschichtigen Fa­ dengeleges 7a. Die Ausrichtung der einzelnen Fadenlagen 71a, 72a, 73a, 74a, 75a spielt für den vorliegenden Fall keine besondere Rolle. Im ferti­ gen Fadengelege 7a dringen die von unten einstechenden Nadeln (bei 3) durch das Fadengelege 7a und werden - wie in der Kettenwirkerei üblich - mit Wirkfäden belegt, so dass alle Nadeln gemeinsam das Fadengelege 7a mittels Maschenverbund 8 verfestigen können.

Die oberste Lage 71a des Fadengeleges, die sich auf der linken Seite des Maschenverbundes 8 befindet, besteht aus Licht absorbierenden Fasern, die in Form von ausgebreiteten Fasersträngen zwischen den Transport­ ketten 1, 1' gespannt sind. Es ist zweckmäßig, diese Faserstränge, die die obere Schicht bilden, aus Kohlenstofffasern zu bilden. Kohlenstofffasern absorbieren das Licht und sind gegen die durch die Absorption entstehen­ de hohe Temperatur resistent.

Unmittelbar hinter der Nadelreihe ist ein im Wesentlichen in der Ebene XY, d. h. parallel zum Fadengelege bewegbarer Laserkopf 51 angeordnet. Der Laserstrahl trifft bei seiner Bewegung über das Fadengelege 7a auf das Licht absorbierende Kohlefaserstränge. An deren Oberfläche staut sich die Energie - hier Wärme - des Laserstrahles und schmilzt die Plati­ nenmaschen des Maschenverbundes entlang seiner Bewegungsbahn 84 im Bereich 84' auf.

Ein derartig aufgetrennter Maschenverbund kann im nahezu spannungs­ freien Zustand die einzelnen Fadenlagen noch mit ausreichender Si­ cherheit zusammenhalten. Man kann einen solchen Verbund - bestehend aus Fadengelege und Maschenverbund mit partiell getrennten Maschen­ stäbchen - auch noch auf einem Wickel speichern und später zur Weiter­ verarbeitung des Fadengeleges 7a vom Wickel abziehen.

Wird der Faserverbund dann nach einem erfolgten Zuschnitt oder ggf. nach einer weiteren zusätzlichen Verfestigung durch weitere Nähte 83 in beliebigen Richtungen einem dreidimensional verformenden Werkzeug zugeführt, löst sich bereits bei geringer Belastung der Maschenverbund auf und ermöglicht das gegeneinander Gleiten der einzelnen Faden­ schichten aneinander. Die Fäden der einzelnen Fadenlagen haben einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Sie setzen der Verformung einen geringeren Widerstand entgegen.

Ein solcher, partiell getrennter Maschenverbund mit der Trennstelle auf der Platinenmaschenseite ist in Fig. 3 beispielhaft dargestellt. Das Faden­ gelege 7b - bestehend aus fünf Fadenschichten - wird hier durch den Maschenverbund 8 vorverfestigt. Die oberste Schicht 71b des Fadengele­ ges besteht aus Licht absorbierenden, temperaturbeständigen Fasern. Auf diese Fasern und auf die Platinenmaschen 81 der Maschenstäbchen 80 ist der Laserstrahl des Laserkopfes 51 gerichtet. Der vom Laserstrahl beeinflusste Bereich 84' sollte mindestens eine halbe Stichlänge über­ streichen, so dass in jedem Fall beim Überqueren eines Maschenstäb­ chens ein Stichloch mit erfasst wird. In diesem Fall ist der Trennvorgang ausreichend sicher, so dass bei einer dreidimensionalen Verformung die Faltenbildung zuverlässig vermieden werden kann.

In Fig. 4 ist ein Fadengelege 7c gezeigt. Hier besteht die unterste Schicht 75c, die den Nadelmaschen 82 des Maschenverbundes 8 zugewandt ist, aus Licht absorbierenden Fasern mit hoher Temperaturbeständigkeit. Der Laserstrahl wird von der rechten, meist unteren Seite des Fadengeleges 7c herangeführt und schmilzt an der Oberfläche der absorbierenden Fasern den Maschenverbund 8 auf. Auch in diesem Fall bleibt der Ver­ bund bei fehlender Belastung des Fadengeleges 7c vorerst noch erhalten, so dass das Fadengelege 7c als Ganzes noch handhabbar bleibt. Bei einer stärkeren Verformung löst sich jedoch der Verbund, beginnend an der getrennten Stelle der Nadelmaschen 82 leicht auf und ermöglicht das gegenseitige Gleiten der Fäden der einzelnen Schichten.

In Fig. 5 ist der Zuschitt 76 eines Fadengeleges 7 gezeigt, das aus­ schließlich durch Maschenstäbchen 80 vorverfestigt ist. In den Abschnit­ ten der größten Verformungen, wie sie z. B. bei der Herstellung einer Gepäckablagemulde für ein Flugzeug vorkommen, sind die Maschenstäb­ chen 80 entlang der strichpunktierten Linien 84 getrennt.

Wird das noch ebene Fadengelege in die dreidimensionale Form 91 eingebracht, kann der eindringende Stempel oder Luftdruck die Umfor­ mung in die dritte Dimension X ohne größeren Widerstand vornehmen. Die einzelnen Schichten des Fadengeleges 7 können - wenn auch be­ grenzt - gegeneinander gleiten und ermöglichen so das dreidimensionale Umformen in weiten Bereichen ohne Faltenbildung. Die Wanddicke des schließlich erhaltenen Kunststoffteiles kann durch die Vermeidung von Faltenbildungen deutlich geringer gewählt werden als es bei Verwendung von Fadengelegen 7 mit durchgehenden Maschenstäbchen 80 der Fall ist.

Die Fig. 6 und der dazu gehörige Querschnitt in Fig. 6a zeigen einen Ausschnitt 77 aus einem Fadengelege 7, das überwiegend in einer im Wesentlichen ebenen Fläche verbleibt. Nur in einzelnen Abschnitten sollen seitliche Auswölbungen 92 vorgesehen werden. Zur Sicherung der Herstellung faltenfreier Auswölbungen 92 werden in deren Grenzberei­ chen die Maschenstäbchen 80 entlang der strichpunktierten Linien ge­ trennt. In diesen begrenzten Bereichen lässt sich das so vorbereitete Fadengelege 7 mit geringstem Widerstand verformen.

In Fig. 7 ist ein Ausschnitt 78 aus einem Fadengelege 7 dargestellt. Das gesamte Fadengelege 7 wird zunächst zunächst mit einer großen Zahl von zueinander parallelen Maschenstäbchen 80 versehen. Diese Ma­ schenstäbchen 80 werden dann von vornherein - vgl. Fig. 2 - nach einem flächigen Muster partiell aufgetrennt, so dass in vielen unregelmäßig verteilten Bereichen Prägungen 93a, 93b, 93c oder relativ geringe Umfor­ mungen in die dritte Dimension möglich werden, ohne vorab die Konturen der Umformungen und Auswölbungen zu kennen.

Bezugszeichenliste

1

,

1

' Transportketten

2

Legeanordnung

21

Fadenleger

22

Fadenleger

23

Fadenleger

24

Stehfadenleger

3

Wirkstelle

4

Nähanordnung

41

,

41

' Nähkopf

42

,

42

' Führung

43

,

43

' Gestänge

44

,

44

' Schlitten

5

Laser-Trennanordnung

51

,

51

' Laserkopf

52

,

52

' Führung

53

,

53

' Gestänge

54

,

54

' Schlitten

55

Führungswalzenpaar

6

Zuschneidanordnung

61

,

61

' Schneidkopf

62

,

62

' Führung

63

,

63

' Gestänge

64

,

64

' Schlitten

7

,

7

a,

7

b,

7

c Fadengelege
71, 71a, 71b, Fadenschicht
72, 72a, Fadenschicht
73, 73a, Fadenschicht
74, 74a, Fadenschicht

75

,

75

a,

75

c Fadenschicht

76

Zuschnitt

77

Ausschnitt

78

Prägungen

8

Maschenverbund

80

Maschenstäbchen

81

Platinenmasche

82

Nadelmasche

83

Naht, zusätzlich

84

Trennlinie

84

' Trennbereich

91

Form (Querschnitt)

92

Auswölbung

93

a,

93

b,

93

c Prägung

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten dreidimensionalen Kunststoffteilen,
unter Verwendung von armierenden, mehrschichtigen Fadengelegen (7)
mit überwiegend gestreckten Fäden oder Fasersträngen in jeder Schicht (z. B. 71, 72, 73, 74, 75),
mit einem Maschenverbund (8) aus natürlichen oder künstlichen Fasern, der die übereinander angeordneten Schichten (z. B. 71, 72, 73, 74, 75) des Fadengeleges (7) aneinander und die Fasern oder Fäden jeder Schicht in ihrer jeweiligen Ausrichtung vorfixiert, und
unter Verwendung von Matrixwerkstoffen, die das der Form angepasste Fadengelege durchdringen und schließlich in einer vorgegebenen Form aushärtend umschließen,
wobei der Maschenverbund (8) des in Bahnform vorbereiteten Fadengele­ ges (7) partiell in ausgewählten Bereichen (84') und/oder entlang von Linien (84), die die Maschenstäbchen (80) kreuzen, unter­ brochen werden und
wobei das Fadengelege (7) mit dem partiell unterbrochenen Maschen­ verbund (8; 80) in der dreidimensionalen Form ausgebreitet und mit dem aushärtenden Matrixwerkstoff umgossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Schicht (71; 71a, 71b, 75c) aus Energie absorbie­ renden, schwer schmelzenden Fasern (z. B. Kohlenstofffasern) das Fadengelege (7) außen begrenzt,
dass das Fadengelege (7) mindestens in den Bereichen der stärksten Verformungen partiell mit Laserstrahlen derart bestrahlt wird,
dass die Fäden des Maschenverbundes (8) im jeweils bestrahlten Be­ reich (84') an den Kontaktflächen zu den das Laserlicht absorbie­ renden Fasern (z. B. Carbonfasern) partiell aufgeschmolzen und/­ oder verbrannt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (75c) aus absorbierenden Fasern (z. B. Kohlenstofffasern) das Fadengelege (7) auf der vom Abschlag der Kettenwirkmaschi­ ne geführten Seite außen begrenzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das partielle Unterbrechen des Maschenverbundes (8) in der Zone der stärksten Verformung unmittelbar vor dem Umformen beim Einbringen des Fadengeleges (7) in die Gießform erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zusätzlichen Arbeitsgang vor dem Zuschneiden des vor­ verfestigten Fadengeleges (7) der Maschenverbund (8) partiell an durch den Zuschnitt definierten Stellen (z. B. Fig. 5 und 6) unterbrochen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschenverbund (8) unabhängig von einem bestimmten Zu­ schnitt in nahezu regelmäßig voneinander beabstandeten Positio­ nen (z. B. Fig. 7) unterbrochen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadengelege mit dem Maschenverbund (8) partiell zusätzlich mit beliebig angeordneten Nähten (83) versehen wird.