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Die Erfindung betrifft eine Fertigungsvorrichtung für Faser-Vorformlinge.
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Die Herstellung von Faser-Verbundbauteilen ist aus dem Stand der Technik gut bekannt und erfordert zunächst die Herstellung von Vorformlingen aus den Fasern, die sodann in ein Formwerkzeug abgelegt und mit Kunststoff, zumeist mit Harz, imprägniert werden. Nach dem Aushärten des Harzes können die so gefertigten Bauteile dem Formwerkzeug entnommen werden.
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Die Vorformlinge werden einzeln hergestellt und müssen, da sie in unterschiedliche Verarbeitungsstationen überführt werden, entsprechend handfest sein und unter Umständen Griffflächen aufweisen, damit sie bei ihrer Handhabung nicht beschädigt werden. Üblicherweise werden hohe Stückzahlen von Vorformlingen vorgefertigt und zwischengelagert, ehe sie der weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen bauteil- und prozessorientierten Herstellung von derartigen Vorformlingen, beziehungsweise Halbzeugen, für Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe sind in der
DE 100 05 202 B4 offenbart: Das dort beschriebene Verfahren sieht das Ablegen von Faserbündeln in einer Legevorrichtung in vorbestimmbarer Relativlage zur Längsachse eines herzustellenden ein- oder mehrlagigen Geleges vor. Dann werden die einzelnen Faserbündel in eine Nähstation überführt und auf eine definierte Weise miteinander vernäht. Das so gefertigte Gelege wird dort in eine weitere Nähstation überführt und es erfolgen weitere Vernähschritte. Dabei werden die abschließenden Nähstiche so ausgeführt, dass wenigstens eine zu dem Umriss des Geleges im Wesentlichen parallel verlaufende Naht geschaffen wird. Damit wird erreicht, dass keine ausfransenden Kanten hergestellt werden und dass Umrissformen geschaffen werden, die den aus dem Gelege heraus zu trennenden Preforms entsprechen.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines flächigen Faser-Vorformlings wird in der
DE 10 2004 060 674 B4 dargelegt: Dort soll ein flächiges Faser-Verbundwerkstoff-Bauteil geschaffen werden, indem zunächst eine Faseranordnung in einer Ablegeeinrichtung lose abgelegt wird und indem eine dem Transportbandsystem, auf dem die Faseranordnung abgelegt wird, zugeordnete und mit diesem zusammenwirkende Fixierungseinrichtung die lose abgelegte Faseranordnung zur Bildung des flächigen Faser-Vorformlings fixiert. Als Fixiereinrichtung wird eine Vernähstation eingesetzt, die so über dem Förderband angeordnet ist, dass das Förderband nicht durch das Vernähen tangiert wird. Das verwendete Förderband kann daher in jeder der Arbeitsstationen ein über Umlenkrollen geführtes Endlosband sein. Der so hergestellte Vorformling kann nach der Fixierung der Faserlagen aneinander weiter verarbeitet werden, wobei Greifereinrichtungen vorgesehen sind, um bereits fixierte Faseranordnungen in nachgeordnete Verarbeitungsvorrichtungen zu überführen.
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Die
DE 33 21 006 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von bindemittelfreien Glasfasermatten, bei dem Glasfasern auf einer Thermoplast-Folie abgelegt und durch Nadeln zu einer Matte verfestigt werden. Aus den Glasfasermatten kann durch Tränken mit einem thermoplastischen Kunststoff ein durch Pressen verformbares Halbzeug hergestellt werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, Vorformlinge, die auch eine verringerte Handhabungsfestigkeit aufweisen können, in einem verbesserten und vereinfachten automatisierten Herstellungsprozess herzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen der Vorrichtungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen offenbart.
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Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung für Faser-Vorformlinge in einer Fertigungsanlage für Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile umfasst eine Fördervorrichtung mit einem Förderband, eine Ablegeeinrichtung, mittels derer Faseranordnungen als Gelege auf dem Förderband abgelegt werden können, und eine Befestigungsvorrichtung, um die Faseranordnungen miteinander zu befestigen. Um einen Vorformling herzustellen, sieht die erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform vor, dass die Fördervorrichtung stromaufwärts der Ablegeeinrichtung eine Abspulrolle aufweist, um das Förderband zu liefern. Erfindungsgemäß wird nun nicht nur die Anordnung zweier oder mehrerer Faserschichten, die als Gelege in der Ablegeeinrichtung bereitgestellt wurden, untereinander befestigt, das Gelege wird darüber hinaus mit dem Abschnitt des Förderbandes verbunden, auf dem es zu liegen kommt. Die Befestigung kann dabei punktuell, abschnittsweise oder auch flächig erfolgen. Stromabwärts der Befestigungsvorrichtung ist eine Aufspulrolle vorgesehen, auf die das Förderband beziehungsweise der Teil des Förderbandes wieder aufgerollt wird, der nicht mit den Faseranordnungen verbunden ist.
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Sofern kein flächiger Vorformling geschaffen werden soll, kann erfindungsgemäß zwischen der Befestigungsvorrichtung und der Aufspulrolle eine Umformvorrichtung angeordnet sein.
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Weiter kann stromaufwärts der Aufspulrolle eine Beschnittvorrichtung vorgesehen sein: Da üblicher Weise ein Umformschritt des Geleges erfolgen wird, kann der Beschnitt unmittelbar nach dem Umformen vorgenommen werden. Das Gelege umfasst dabei auch sogenannte Prepregs, die aus Fasern und Harzen bestehen.
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Das Förderband kann aus einem Vliesmaterial, einem faserverstärkten Material oder aus einem Folienmaterial bestehen. Es kann zumindest teilweise dauerhaft mit dem Fasergelege verbunden sein, so dass es im Vorformling enthalten bleibt, wenn dieser weiterverarbeitet wird. Dann werden nach erfolgter Weiterverarbeitung des Vorformlings die entsprechenden Abschnitte aus dem Förderband herausgetrennt, so dass nur dessen noch aneinander hängende Reste, von der Aufspulrolle aufgerollt werden.
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Zum Transport des Förderbandes müssen entsprechende Zugkräfte verformungsarm übertragen werden. Für die Umformung des Vorformlings jedoch ist eine gute Umformbarkeit bzw. Drapierbarkeit erforderlich, um entsprechend komplizierte Geometrien darstellen zu können. Es ist also ein optimaler Kompromiss für diese Eigenschaften zu finden. So ist es beispielsweise zweckmäßig, zur Übertragung der Zugkräfte Endlosfasern in Zugrichtung im Förderband, bzw. im Fördermedium zu integrieren, die in Querrichtung nur schwach eingebunden sind. Das Trägervlies oder -gewebe kann dann unabhängig von den Zugkräften für die Umformung optimiert werden und im Vorformling erhalten bleiben. Auch bei Verwendung einer Folie als Fördermedium kann eine gezielte Verstärkung in Zugrichtung erfolgen. Hier könnte beispielsweise eine Verstreckung der Folie unter Bildung einer Eigenverstärkung in Längsrichtung genutzt werden, um zu einer hinreichenden Festigkeitserhöhung zu führen.
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Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Förderband, insbesondere wenn es aus einem Folienmaterial besteht, nachdem es abschließend als Fördermittel gedient hat und den Vorformling in eine Weiterverarbeitungsvorrichtung gefördert hat, abgezogen wird, ehe die Weiterverarbeitung etwa zum Verbundbauteil erfolgt. Alternativ dazu kann ein Abziehen des Folien-Förderbands aber auch erst erfolgen, nachdem das Verbundbauteil fertig gestellt und aus der Weiterverarbeitungsvorrichtung abtransportiert wurde.
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Damit das Abziehen ermöglicht werden kann, bieten sich als Festigungstechniken zur Befestigung der Faseranordnungen aneinander und an dem Förderband außer dem Vernähen auch Techniken an, die die Verwendung adhäsiver Befestigungsmittel vorsehen.
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Erfindungsgemäß kann ferner eine Fertigungsanlage für Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile geschaffen werden, indem eine Fertigungsvorrichtung für Faser-Vorformlinge um eine Verbundstation, die mit einer Zuführvorrichtung zum Zuführen von Kunststoff-Matrixmaterial ausgestattet ist, ergänzt wird. Bei diesem Kunststoff-Matrixmaterial kann es sich um ein zur Bildung eines Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffs geeignetes, dem Fachmann bekanntes, Harz handeln.
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Die Verbundstation kann zwischen der Befestigungsvorrichtung und der Aufspulrolle oder, wenn eine Umformvorrichtung vorliegt, zwischen der Umformvorrichtung und der Aufspulrolle vorliegen.
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Die Beschnittvorrichtung kann in diesem Falle auch in die Verbundstation integriert werden, so dass vor, während oder nach dem Injizieren eines Kunststoffs oder Harzes und dessen Aushärtung mittels Stanzen, Laserschneiden oder anderen geeigneten Beschnittmaßnahmen die gewünschte Konturierung vorgenommen wird, ehe die Faser-Kunststoff-Verbundkomponente, die nun ein fertiges Bauteil ist, aus der Verbundstation ausgeworfen wird.
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Ein Fertigungsverfahren zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbund-Komponenten, das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt wird, sieht daher zunächst vor, dass das Förderband von der Abspulrolle abgerollt und in die Ablegeeinrichtung geführt wird. Dann kann ein Gelege aus Faseranordnungen auf dem Förderband abgelegt werden, das in der Befestigungsvorrichtung durch Ausführen eines Befestigungsschrittes mit dem Förderband verbunden wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Teil des Förderbands, der nicht mit den Faseranordnungen verbunden ist – oder das Förderband, nachdem der Befestigungsabschnitt wieder abgezogen wurde – auf die Aufspulrolle aufgewickelt.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt.
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Der Bezug auf die Figur in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figur ist lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Sie zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf die kontinuierliche oder semikontinuierliche Herstellung von Faser-Vorformlingen und der daraus geschaffenen Bauteile aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, bzw. FVK. Die verschiedenen Schritte bei der Fertigung dieser Bauteile umfassen zunächst das Herstellen von Vorformlingen durch das Ablegen von Gelegen und deren Fixierung, auf die eine Umformung entsprechend der gewünschten Bauteilform erfolgt. In einer der Fertigungsvorrichtung für Faser-Vorformlinge übergeordneten Anlage wird anschließend das Imprägnieren der Fasern mit Matrixmaterial und aushärten Lassen des Matrixmaterials durchgeführt, um das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil zu erhalten. Erfindungsgemäß erfolgen diese Schritte automatisch nacheinander, wobei keine manuellen Zwischentätigkeiten nötig sind und der aufwändige Einsatz von Robotern, der ansonsten etwa zum Umsetzen von Vorformlingen anfällt, minimiert werden kann.
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1 zeigt dazu, wie von einer Abspulrolle 3 das Förderband 1, das als Trägermaterial fungiert, abgerollt wird und in die Ablegestation 2 geführt wird, in der vorliegend vier Faserlagen zur Bildung des Geleges 7 abgelegt werden. Bei den Faserlagen kann es sich um Textillagen, Verstärkungen und Inserts handeln, die miteinander und insbesondere an dem Förderband 1 befestigt werden. Dazu kann in der Ablegestation 2 die Befestigungsvorrichtung umfasst sein, sie kann jedoch auch direkt stromabwärts der Ablegestation 2 vorgesehen sein (Befestigungsvorrichtung in der Figur nicht dargestellt). Die Faseranordnungen des Geleges 7 können entsprechend ihrer Faserorientierung exakt ausgerichtet und belastungsgerecht abgelegt werden, um dem später zu schaffenden Bauteil eine möglichst hohe Festigkeit entsprechend der am Bauteil auftretenden Kräfte zu verleihen.
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Als Faseranordnungen zur Bildung des Geleges 7 können auch Fasermatten, Geflechte, Gestricke und Gewebe zum Einsatz kommen. Bei den Fasern kann es sich um Verstärkungsfasern wie Glasfasern, Carbonfasern und Aramidfasern handeln. Generell ist auch der Einsatz eines Hybridgarns oder eines Hybridgewebes mit Verstärkungsfaser- und Matrixmaterialanteil denkbar, wobei es sich bei letzterem insbesondere um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial handeln kann.
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Das an dem Förderband 1 befestigte Gelege 7 wird, indem das Förderband 1 von der Aufspulrolle 4 vorgetrieben wird, in die nächste Prozessstufe, die Umformvorrichtung 5 transportiert, wobei durch die Befestigung des Geleges 7 an dem Förderband 1 eine exakte Positionierung des Geleges 7 in dem Umformwerkzeug 5 gegeben ist, und somit ein korrektes Einlegen des Geleges 7 in das Umformwerkzeug einfach und automatisiert durchführbar ist. So wird in der Umformvorrichtung 5 der Faser-Vorformling 8 bereitgestellt, der immer noch an dem Förderband 1 befestigt ist.
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An sich könnte nun der Vorformling beschnitten und gelagert werden, dann käme die Nutzung des Förderbands in der erfindungsgemäßen Weise im Wesentlichen nur der geschickten Positionierung der Gelege im Umformwerkzeug zugute.
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Um weiteren Nutzen aus der Fixierung des Geleges 7 beziehungsweise dem daraus geschaffenen Vorformling 8 mit dem Förderband 1 zu ziehen, kann die Herstellung des Vorformlings 8 in einer erfindungsgemäßen Anlage, wie sie in 1 dargestellt ist, kontinuierlich in die Fertigung des Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils 10 münden. Dazu erfolgt die Überführung des Vorformlings 8 aus der Umformvorrichtung 5 direkt in die Verbundstation 6 automatisch durch weiteres Aufrollen des Förderbands 1 auf der Aufspulrolle 4 ohne händisches oder robotisches Umsetzen des Vorformlings 8.
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Dadurch, dass das Gelege 7 beziehungsweise der Vorformling 8 mit dem Transportband 1 verbunden sind, und von diesem sequentiell durch die Verarbeitungsstationen geleitet werden, kann der Vorformling geringere Handlingfestigkeit aufweisen, da er nicht wie bei der diskontinuierlichen Fertigung nach dem Stand der Technik von Hand oder durch Roboter zu den nachfolgenden Verarbeitungsstationen verbracht und in diese eingelegt werden muss. Auch entfallen Lagerflächen und der logistische Aufwand wird minimiert.
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In der Verbundstation 6 erfolgt die Herstellung des Verbunds zwischen den Faseranordnungen des Vorformlings 8 und dem Matrixmaterial. Zu diesem Zweck ist in der Verbundstation 6 eine geeignete Zuführvorrichtung (nicht dargestellt) für das Matrixmaterial umfasst. Im Falle der Verwendung einer duromeren Matrix kann hier etwa eine Harzinjektionstechnik (RTM) zum Einsatz kommen.
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Nach Imprägnierung des Faser-Vorformlings 8 mit dem Harz wird das Verbundmaterial aushärten gelassen. Das Bauteil 10 wird durch Beschnitt fertig gestellt, der wahlweise vor, während oder nach der Harzinjektion beispielsweise durch ein in der Verbundstation 6 integriertes Stanzmesser (nicht dargestellt) erfolgen kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Beschneideschritt vor der Harzinjektion durchgeführt, so dass die durch die nachfolgende Harzinjektion entstehende Bauteilkante werkzeugfallend faserfrei ist.
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Nach dem Verlassen der Verbundstation 6 kann das fertige Bauteil 10 von dem Förderband 1 abgenommen werden. Alternativ kann das Bauteil 10 auch schon direkt aus der Verbundstation 6 entformt und von dem Förderband 1 abgenommen werden.
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In einer Ausführungsform kann das Förderband etwa durch ein Vliesmaterial gebildet sein, an dem das Gelege mechanisch, beispielsweise durch Nähen befestigt wird, so dass der Abschnitt des Transportbandes, an denen das Gelege befestigt wurde, quasi eine zusätzliche Schicht des Bauteils bildet, und in dem nachfolgend hergestellten Verbund des Bauteils enthalten ist. Im Beschneideschritt erfolgt dann das Herausschneiden des Bauteils, das einen Abschnitt des Trägervlieses enthält, aus dem Förderband. Ein Weitertransport des Bauteils, das entsprechend dem Befestigungsabschnitt aus dem Förderband ausgeschnitten wurde, kann dabei durch das den Ausschnitt umgebende Förderband aus der Verbundstation je nach Bauteilausführung ausgeführt werden, wenn etwa das Bauteil den Förderbandausschnitt überkragt. Die Reste des Förderbands werden durch die am Ende der Prozessstraße angeordnete Aufspulrolle aufgerollt, die mit einem Antrieb gekoppelt ist, um den Vortrieb des Förderbands durch die Prozessstufen bereitzustellen.
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Alternativ kann als Förderband auch eine Folie eingesetzt werden, die mit dem Matrixmaterial adhäsiv verbunden wird; entweder durch inhärente Adhäsionskräfte zwischen den Fasern und der Folie oder durch Zusatz von Klebemitteln. Hierzu können beispielsweise einzelne Klebepunkte verwendet werden, die die Faseranordnungen in ihrer Lage auf ein Förderband fixieren und damit auch die Positionierung in den nachfolgenden Prozessstationen, der Umformvorrichtung und der Verbundstation, bestimmen. Die Klebung kann jedoch gelöst werden, so dass die Folie nach vollendeter Bauteilherstellung abgezogen werden kann. Bei Verwendung von Folie, die von dem fertigen Bauteil abgezogen wird, kann auch eine Wiederverwendung der Folie in Betracht gezogen werden.
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Außer einer duroplastischen Matrix kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, ein thermoplastisches Faser-Kunststoff-Verbundsystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu schaffen, beispielsweise im Direktimprägnier- und thermoplastischen Injektionsverfahren. Hierbei können alternativ oder zusätzlich auch Thermoplastfasern in den Faseranordnungen enthalten sein, die in der Verbundstation durch Beaufschlagung mit einer Temperatur in Bereich der Schmelztemperatur den Verbund zwischen den Faseranordnungen bereitstellen oder unterstützen.
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Weiterhin ist es denkbar, dass das Ablegen das Faseranordnungen zu den Gelegen nicht in einer einzigen, sondern in mehreren Ablegevorrichtungen stattfindet, die direkt nacheinander angeordnet sein können, oder denen je nach Bauteilvorgabe stromabwärts jeweils eine Befestigungsvorrichtung, eine Umform- und/oder Beschnittstation nachgeordnet sein können.
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Durch die Festlegung des Geleges/Vorformlings an dem Transportband wird ein kontinuierlicher Herstellungsprozess für das Bauteil realisiert, auch wenn noch weitere Verarbeitungsstufen zu durchlaufen sind. So kann die Umformung in einem oder mehreren Schritten in entsprechend einem oder in mehreren Werkzeugen ausgeführt werden, auch abhängig von der Komplexität der Bauteilgeometrie. Ferner können auch die Prozessschritte des Zuführens der Matrixkomponente und des aushärten Lassens in separaten Vorrichtungen erfolgen, die in der Verbundstation zusammengefasst sind.
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Die Fertigungsvorrichtung, die Fertigungsanlage und die entsprechenden Verfahren sind ferner geeignet, zur endkonturgetreuen Herstellung von Kraftfahrzeug-Bauteilen eingesetzt zu werden. So können beispielsweise Innenschalungselemente, die der Leichtbauweise genügen und gute Festigkeitseigenschaften aufweisen, prozessoptimiert gefertigt werden.
