DE19635375A1 - Verfahren und Werkzeugsystem zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Profilen - Google Patents

Description

Ausgangssituation

Der Bedarf an rundgebogenen Aluminiumprofilen als Konstruktionselemente für Leichtbau­ strukturen zeigt eine stark steigende Tendenz, besonders im Flug- und Fahrzeugbau, z. B. für Schienenfahrzeuge wie dem ICE oder Automobile wie beim Space Frame Konzept. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die geringere Dichte des Aluminiums gegenüber Stahl. Allerdings wird der Gewichtsvorteil durch die ebenso geringe Steifigkeit teilweise kompensiert, da z. B. der E-Modul von Aluminium genau wie seine Dichte ca. 1/3 der Werte von Stahl hat. Eine Möglichkeit die Steifigkeit dieser Profile zu erhöhen und so das Leichtbaupotential zu verbessern, besteht in der Verstärkung durch hochfeste Fasern.

Es existieren viele verschiedene Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Metallwerkstoffe. Fasern können in Metalle grundsätzlich durch Einbetten in die Matrix oder durch gerichtete Erstarrung einer eutektischen Schmelze erzeugt werden. Das Einbetten der Fasern ist bei verschiedenen Matrixzuständen möglich: feste, pulverförmige, flüssige oder partiell flüssige Matrix. Die Wahl des Matrixzustandes hängt von der Kombination des Matrixwerkstoffes mit dem Faserwerkstoff ab. Die Herstellung kann z. B. durch Folien/Faser-Schichtung mit anschließendem Warmwalzen, Heißpressen oder einem Preßschweißverfahren bei einer festen Matrix erfolgen. Bei einer pulverförmigen Matrix erfolgt die Herstellung durch Verdichten, Sintern oder Strangpressen. Eine flüssige Matrix ermöglicht das Einbringen der Fasern durch Schwerkraft oder Druckinfiltration, wobei anschließend eine Weiterverarbeitung durch Strang­ pressen oder Walzen möglich ist. Die Verfahren sind in der Regel stark an das herzustellende fertige Werkstück gebunden, wie zum Beispiel beim Warmwalzen von Folien/Faser- Schichtungen.

Faserverstärkte Strangpreßprofile, vor allem aus Aluminiumlegierungen, werden im wesentlichen mit dem unten beschriebene Verfahren gefertigt. In die Presse werden Preßblöcke eingelegt, die bereits z. B. durch Sinter- oder Schmelzinfiltrationsverfahren mit kurzen Fasern verstärkt wurden. Grundsätzliches Problem ist, in eine Metallmatrix Fasern ohne Faser­ schädigung einzubringen. Bei einer flüssigen Matrix bewirken die hohen Temperaturen im allgemeinen eine gewisse Schädigung der Faser. Zusätzlicher Nachteil des Verfahren ist, daß nach der Verbindung von Matrix und Fasern eine Umformung mit Problemen verbunden ist, weil die Fasern sich erheblich in ihren Eigenschaften vom Matrixwerkstoff unterscheiden. Für die Herstellung von faserverstärkten Profilen aus Leichtmetallen trifft dies in besonderem Maße zu, da sie zwar grundsätzlich durch Strangpressen in fast unbegrenzter Vielfalt kostengünstig hergestellt werden können, aber die Verstärkungsfasern durch die hohen Umformgrade geschädigt werden.

Durch das Strangpressen werden die Fasern zwar ausgerichtet, aber je kürzer die Fasern sind, desto geringer ist der Verstärkungseffekt. Unter anderem haben diese Probleme und die hohen Kosten dazu geführt, daß faserverstärkte Profile bis jetzt nur eine wirtschaftliche Bedeutung für wenige Sonderanwendungen erlangt haben. Auch die Weiterverarbeitung in Form einer Biegeoperation ist dadurch erschwert. Zum einen wird das Rückfederungsverhalten negativ beeinflußt und zum anderen können die Fasern weiter geschädigt werden, bzw. die Bindung zwischen Matrix und Faser geschwächt werden.

Lösungsweg

In Bild 3 sind Bauformen für Matrizen zur Herstellung von Hohlprofilen dargestellt. Es ist erkennbar, daß der die Innenkontur formende Dorn über Stege in seiner Position gehalten wird. Diese Stege können in unterschiedlichen Werkzeugtypen vorhanden sein. Der Werkstoff fließt um den Steg herum und vereinigt sich dahinter wieder. Die so entstehenden Preßlängs­ nähte unterscheiden sich in ihrer Festigkeit im wesentlichen nicht von dem übrigen Werkstoff. Die Verwendung solcher Werkzeuge ist allgemein Stand der Technik, wobei bei der Anzahl und Anordnung der Stege ein nicht unerheblicher Gestaltungsspielraum besteht.

Bild 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Faserzuführung. Mittels der Stege kann eine Endlos­ faser zugeführt werden, da der Werkstoff um den Steg herumfließt. Der Werkstoff vereinigt sich auf der Rückseite des Steges wieder und zieht die Fasern mit. Durch die Temperaturen und hohen Drücke erfolgt eine Verbindung zwischen Faser und Werkstoff. Zur Erzielung einer festen Verbindung sind die Oberflächen der Fasern entsprechend vorzubereiten. Die Methoden hierzu sind analog zu den Fertigungsverfahren für Faserverbunde mit fester Matrix. Das Verfahren kann immer eingesetzt werden, wenn beim Pressen Stege verwendet werden können, also auch für Vollprofile oder offene Profile. Wenn das Profil, wie in Patent EP 95112843 geschildert, mit einer Führungsrolle abgelenkt und so gerundet wird, können auch gerundete Profile mit Endlosfasern erzeugt werden.

Da die Anzahl der Stege begrenzt ist, erfolgt nur eine Faserverstärkung in wenigen, für die Lastfälle der späteren Anwendung günstigen Bereiche. Es werden keine dünnen Fasern verwendet, wie sie sonst zur Faserverstärkung verwendet werden, sondern die Fasern werden dicker ausgeführt, bzw. als verseilte Faserbündel. Das so entstehende Produkt kann im Prinzip mit einem Bauteil aus Stahlbeton verglichen werden. Als Fasern sind grundsätzlich alle Werk­ stoffe geeignet, die auch sonst zur Faserverstärkung mit Aluminium verwendet werden. Als Faserwerkstoffe kommen so nichtmetallische Fasern (z. B. Kohlenstoff) oder metallische Fasern (z. B. Stahl) in Frage. Durch die Gestaltung von Matrize und Dorn kann erreicht werden, daß die zugeführte Faser mit der Matrix verbunden wird, wenn diese nicht mehr gestreckt wird und nur noch mit einer Druckspannung beaufschlagt ist. Dies ist dann anzustreben, wenn nicht plastisch verformbare Fasern wie z. B. C-Fasern verwendet werden. Denn bei zu großer Streckung der umgebenden Matrix reißen diese Fasern. Bei Zuführung von Fasern, die eine gewisse plastische Verformung ertragen (hochfeste Stahldrähte), kann eine Streckung der Fasern durchaus günstig sein. Durch die unterschiedlichen E-Module ergeben sich Eigen­ spannungen im fertigen Produkt, so daß die Fasern unter Zugeigenspannungen und die umge­ bende Matrix unter Druckeigenspannungen steht. Diese Variante läßt sich mit Spannbeton vergleichen.

Die Anwendung dieses Verfahrens kann sehr wirtschaftlich erfolgen, da es wie konventionelles Strangpressen erfolgt, außer daß eine spezielle Matrize und ein Faserzuführsystem verwendet wird. Vor allem sind keinerlei aufwendige Verfahren zur Faserinfiltration erforderlich. Es können die verschiedensten Faserwerkstoffe mit verschiedenen Aluminiumlegierungen oder jedem anderen strangpreßbaren Werkstoff verbunden werden. An die Strangpreßanlage und den Preßprozeß ergibt sich nur die Forderung von außen an die Matrize die Fasern zuführen zu können. Die sonstigen Parameter wie z. B. Preßtemperatur und Preßgeschwindigkeit werden nicht berührt.

Verbundstrangpressen

Es existieren verschiedene Verfahren zur Herstellung von Verbundhalbzeugen beim Strang­ pressen. Bei diesen Verfahren handelt es sich um Verfahren, bei denen von außen mittels verschiedener Vorrichtungen Verstärkungsbänder in der Umformzone zugeführt werden und durch die hohen Temperaturen und Drücke mit dem austretenden Strang verschweißen. Von diesen Verfahren kommt das unten beschriebene dem neuen Verfahren am nächsten. Bei diesem Verfahren werden zur Plattierung von verschleißfesten Stromabnehmerschienen Bänder aus Chromnickelstahl während des Strangpressens über die Brücke eines Brückenwerkzeuges zugeführt. Bild 4 zeigt das Schema des Strangpreßplattierens.

Dieses Verfahren hat mit dem hier angemeldeten Verfahren das Zuführen des zweiten Werk­ stoffes über die Preßwerkzeuge beim Strangpressen gemeinsam. Unterschiede ergeben sich dadurch, daß es sich bei dem Strangpreßplattieren um eine Oberflächenbeschichtung handelt. Insbesondere bedeutet das, daß keine Fasern sondern Bleche zugeführt werden, die mit der Oberfläche durch ein Preßschweißen verbunden werden. Bei dem anzumeldenden Verfahren aber werden Fasern, auch nicht-metallischer Werkstoffe, in das herzustellende Profil eingebracht, so daß es sich um ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung handelt und nicht zur Oberflächenbehandlung. Die Zuführung der Fasern über die Stege der Preßwerkzeuge ermöglicht die Faserverstärkung der Profile an nahezu jeder beliebigen Stelle innerhalb des Profilquerschnittes nicht nur an der Oberfläche. Damit kann durch eine gezielte Prozeß­ steuerung der Eigenspannungszustand des Erzeugnisses zur Festigkeitssteigerung eingestellt werden. Das neue Verfahren unterscheidet damit deutlich vom Strangpreßplattieren. Das Prinzip der Zuführmethode über die Brücken, bzw. Stege des Preßwerkzeuges ist bei dem neuen Verfahren weitergeführt worden, so daß über die Anzahl und Anordnung der Stege Anzahl und Lage der Fasern im Profil gewählt werden können.

Literatur

[1] Huthagel, W. Aluminium-Taschenbuch, Aluminium-Verlag, Düsseldorf, 3. datenaktualisierter Druck, 1988
[2] Jacobi, G., Al-Verbundstoffe: Herstellung und Eigenschaften
Moehler, W., Grisbach, R., Konferenz-Einzelbericht: Verbundwerkstoffe und Werkstoftver­ bunde, Symposium der deutschen Gesellschaft für Materialkunde,
Menzel, U. Chemnitz, 17.-19.06.1993, Oberursel, DGM Informationsgesellschaft
[3] Kaiser, K. U. Strangpressen von kurzfaserverstärkten Magnesium- Verbundwerkstoffen, Umformtechnik 27 (1993) 2, S. 116-121
[4] Kleiner, M. "Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von gekrümmten Werkstücken", Patentschrift EP 95112843 (Anmelder: VAW aluminum AG), 1995
[5] Müller, K. Strangpressen metallischer Verbundwerkstoffe Konferenz-Einzelbericht des Symposiums "Neuere Entwicklungen in der Massivumformung", Fellbach, 28.-29.05.1991, Oberursel, DGM Informationsgesellschaft
[6] Spur, G., Handbuch der Fertigungstechnik, Band 272, Umformen, Stöferle, Th. Carl Hanser Verlag, 1984

Claims (1)

1. Das Verfahren und Werkzeugsystem zur Herstellung von mit Endlosfasern verstärkten Profilen ist durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

   • 1. Die Endlosfaser wird während des Strangpressens in den Matrixwerkstoff eingebracht, wobei der Faserwerkstoff durch das Verfahren nur hinsichtlich seiner thermischen Festigkeit bei der Preßtemperatur des jeweiligen Matrixwerkstoffes beschränkt ist. Die Verbindung von Faser und Matrix erfolgt durch Preßschweißen in dem Bereich, in dem sich die Längspreßnaht beim Strangpressen ausbildet.
   • 2. Der zu verstärkende Profilquerschnitt aus dem jeweiligen Matrixwerkstoff ist mit einem Preßwerkzeug herstellbar, das mit einem Steg versehen ist. Hierbei können bestehende Konstruktionen in der Art angepaßt werden, daß eine Zuleitung der Fasern über die Stege möglich ist. Dies sind in erster Linie Werkzeuge für Hohlprofile. Aber auch jede andere Profilform kann mit diesem Verfahren faserverstärkt werden, wenn zusätzlich Stege in die Werkzeuge implementiert werden.
   • 3. Die Gestaltung der Profilquerschnitte unterliegt keinen engen Vorgaben, sondern muß nur in den Bereichen, in denen die Fasern eingelagert werden sollen, ausreichende Wanddicken vorsehen.
   • 4. Als Matrixwerkstoff können alle strangpreßbaren Werkstoffe, insbesondere Aluminium, verwendet werden. Insbesondere sind keine aufwendigen Vorbereitungen des Matrixwerk­ stoffes zur Faserimplementierung notwendig, da beim Verschweißen im Längsnahtbereich keine Außenluft zutritt.
   • 5. Das Verfahren ist auf jeder Strangpresse einsetzbar, die es gestattet, von außen an die Matrize, bzw. den Matrizenhalter heran zu gelangen und die Fasern zuzuleiten. Der Strang­ preßprozeß wird nicht wesentlich beeinflußt. Insbesondere wird die Preßgeschwindigkeit als zentrale Größe für die Wirtschaftlichkeit nicht beeinflußt.
   • 6. Die Verstärkung erfolgt mit Endlosfasern, die einen deutlich größeren Durchmesser als üblicherweise verwendete Fasern aufweisen. Die Fasern können aus einer dickeren Faser oder aus mehreren, verzwirnten Fasern bestehen. Als Faserwerkstoff kommen alle Fasern in Frage, die durch Preßschweißen mit Aluminium verbunden werden können. Gegebenenfalls ist die Faser einer Vorbehandlung zu unterziehen, wobei auf Methoden zurückgegriffen werden kann, wie sie z. B. bei Herstellung von Faserverbunden durch Warmwalzen einer Folien/Faser-Schichtung verwandt werden.
   • 7. Durch die Gestaltung der Preßwerkzeuge kann die Faserverstärkung an nahezu jeder gewünschten Stelle im Profilquerschnitt erfolgen.
   • 8. Durch die gezielte Gestaltung der Preßwerkzeuge, kann weiterhin die Verbindung von Matrix und Faser ohne oder mit variabler Streckung von Matrix oder/und Faser erfolgen. Auf diese Weise kann abhängig vom Faserwerkstoff eine Schädigung der Fasern vermieden werden oder auch durch die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften bewußt Eigen­ spannungen eingebracht werden.
   • 9. Durch Kombination mit dem Runden beim Strangpressen, Patent EP 95112843, sind so auch gekrümmte Profile herstellbar, die mit einer ungeschädigten Endlosfaser verstärkt sind.