DE19818379C1 - Verfahren zur Bildung eines mehrlagigen, laminierten Prepreg-Flächengebildes - Google Patents

Abstract

Zur Bildung eines mehrlagigen, laminierten Pregpreg-Flächengebildes, welches in einem späteren, Formpressen und Wärmeaushärtung umfassenden Arbeitsschritt zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles dient, wird eine mit wärmeaushärtbarem Kunstharz vorimprägnierte, mindestens einseitig mit einer Trennfolie abgedeckte Faserbahn (= Pregpregbahn) auf eine solche Temperatur abgekühlt, bei der die in ihr enthaltenen Wasseranteile gefroren und ihre Oberflächen dadurch nicht mehr klebrig sind. Vor oder nach dieser Abkühlung wird (werden) die ungeschnittene(n) von der Pregpregbahn abgezogen. Dann wird die abgekühlte Pregpregbahn zumindest durch Querschneiden in einzelne Pregpregabschnitte vorbestimmter Größe unterteilt. Der jeweilige Pregpregabschnitt wird, während er noch auf eine Temperatur abgekühlt ist, bei welcher die in ihm enthaltenen Wasseranteile noch gefroren sind, in vorbestimmter Lage auf einen zuvor gestapelten Pregpregabschnitt abgelegt. Die übereinandergelegten Pregpregabschnitte werden gegebenenfalls durch Andrücken gegeneinander fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines mehrlagigen, laminierten Prepreg-Flächengebildes, welches in einem späteren, Formpressen und Wärmeaus­ härtung umfassenden Arbeitsschritt zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles dient, bei dem eine mit wärmeaushärtbarem Kunstharz vorimprägnierte, mindestens einseitig mit einer Trennfolie abgedeckte, langgestreckte Faserbahn (= Prepregbahn) zumindest durch Querschneiden in einzelne Prepregabschnitte vorbestimmter Größe unter­ teilt wird, die Trennfolie nach oder vor dem Unterteilen entfernt, die Prepregabschnitte gegebenenfalls mit zueinander verdrehten Hauptfaserrichtungen überein­ andergelegt und gegebenenfalls durch Andrücken gegen­ einander fixiert werden.

Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen, ins­ besondere Faserverbund-Platten werden meist mehrere dünne Prepregabschnitte übereinandergelegt. Da die Prepregabschnitte je nach Faserrichtung eine unter­ schiedliche Zugfestigkeit und auch unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten aufweisen, werden die Prepreg­ lagen zum Erreichen einer in jeder Richtung homogenen Werkstoffstruktur so übereinandergelegt, daß ihre Hauptfaserrichtungen zumindest um jeweils 90°, vor­ zugsweise aber auch in dazwischenliegenden Winkellagen zueinander verdreht angeordnet sind. Das Übereinander­ legen der Prepregabschnitte bereitet bei größeren Ab­ messungen Schwierigkeiten, weil die gegeneinander gerichteten Seiten der aufeinanderzulegenden Prepreg­ abschnitte nach Entfernung der Trennfolien eine kleb­ rige Oberfläche aufweisen und die Prepregabschnitte in ihrer Form sehr labil sind. Wenn sich die klebrigen Oberflächen auch nur an wenigen Punkten berühren, sind Korrekturen kaum mehr möglich. Eine genaue Positionierung der Prepregabschnitte in bezug auf die Winkellage ihrer Hauptfaserrichtungen zueinander ist jedoch für die Festigkeitseigenschaften des Endproduktes von ent­ scheidender Bedeutung.

Die DE 44 21 415 C1 offenbart im wesentlichen ein Ver­ fahren der eingangs erwähnten Art. Bei dem in der DE 44 21 415 C1 beschriebenen Verfahren wird die Prepregbahn, die an ihrer Oberseite mit einer Trenn­ folie abgedeckt ist, in Prepregabschnitte geschnitten, von einem Roboter mit Hilfe eines Saugwerkzeuges ange­ saugt und genau dem Lagenaufbau auf dem zuvor gestapel­ ten Prepregabschnitt positioniert. Der neu aufgelegte Prepregabschnitt wird an den darunterliegenden Prepreg­ abschnitt angewalzt, wobei die Walze auf die Trennfolie drückt, um ein Ankleben des Prepregabschnittes an der Walze zu verhindern. Bevor der nächste Prepregabschnitt aufgebracht wird, muß die Trennfolie entfernt werden. Um ein einfaches und sicheres Abziehen der Trennfolie zu ermöglichen, wird die Trennfolie zumindest in einem Randbereich auf mindestens -30°C zweckmäßig durch Auf­ setzen eines Kühlelementes abgekühlt, der abgekühlte Randbereich der Trennfolie mittels eines Saugelementes und einer Klemmvorrichtung erfaßt und dann der gesamte Folienabschnitt abgezogen. Das Abziehen jedes einzelnen Folienabschnittes nach dem Auflegen und Anwalzen eines neuen Prepregabschnittes erfordert jedoch einen gewissen Zeitaufwand, der sich summiert, wenn eine größere Anzahl von Prepregabschnitten aufeinandergelegt werden müssen und nacheinander dann die Folienabschnitte zunächst am Randbereich jeweils gekühlt, dann erfaßt und an­ schließend abgezogen werden müssen. Außerdem ist der maschinelle Aufwand verhältnismäßig groß.

In der DE 39 00 342 A1 ist eine Greifvorrichtung be­ schrieben, mittels welcher nacheinander mehrere Prepreg­ abschnitte zu einem Stapel übereinandergelegt werden können. Die zu einem Coil aufgewickelte, beidseitig mit einer Trennfolie abgedeckte Prepregbahn wird vom Coil abgewickelt und zu einer Klemmeinrichtung trans­ portiert. Im Bereich dieser Klemmeinrichtung werden die Trennfolien von der Prepregbahn abgezogen. Die Greifvorrichtung weist mehrere speziell ausgebildete Haltezangen auf, mit welchen das vordere Ende des aus der Klemmeinrichtung herausragenden Anfanges der Prepregbahn erfaßt werden kann. Die Greifvorrichtung zieht die Prepregbahn nach dem Schließen der Halte­ zangen weiter und nach Erreichen der gewünschten Länge wird mittels der Querschneideeinrichtung die Prepreg­ bahn durchtrennt. Der abgetrennte Prepregabschnitt wird durch die Greifvorrichtung bis in den Bereich einer Transporteinrichtung weiterbewegt und dort unter Bildung eines Stapels abgelegt. Wie hierbei verhindert werden soll, daß der nur an seinem vorderen Randbereich erfaßte Prepregabschnitt bei Bewegung über den Stapel diesen berührt, ist in dieser Druckschrift nicht beschrieben. Mittels der Transporteinrichtung kann der Stapel zur Weiterverarbeitung einem Preßwerk­ zeug zugeführt werden. Um ein Ankleben des Prepregab­ schnittes an den Zangen zu verhindern, sind diese mit einer abrollbaren Haftminderungsfolie ausgerüstet, was jedoch einen recht komplizierten Aufbau der Zangen ergibt. Außerdem können die Prepregabschnitte immer nur in einer Richtung, nämlich der Hauptfaserrichtung, über­ einandergelegt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bildung eines mehrlagigen, laminierten Prepreg-Flächengebildes der eingangs erwähnten Art auf­ zuzeigen, welches in wirtschaftlicher Weise mit ver­ hältnismäßig geringem Arbeits- und Zeitaufwand das Übereinanderlegen der Prepregabschnitte mit exakt zueinander ausgerichteten, insbesondere zueinander verdrehten Hauptfaserrichtungen mit großer Wiederhol­ genauigkeit ermöglicht.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Prepregbahn vor dem Querschneiden auf eine solche Tem­ peratur abgekühlt wird, bei der die in ihr enthaltenen Wasseranteile gefrieren und ihre Oberflächen dadurch nicht mehr klebrig sind, daß vor oder nach dieser Ab­ kühlung die ungeschnittene(n) Trennfolie(n) von der Prepregbahn abgezogen wird (werden), daß dann das Querschneiden erfolgt und daß der jeweilige Prepreg­ abschnitt im unterkühlten Zustand in der vorbestimmten Lage auf einen zuvor gestapelten Prepregabschnitt abge­ legt wird.

Die Erfindung geht also von dem Gedanken aus, die Prepregbahn vor dem Querschneiden auf eine unter dem Gefrierpunkt liegende Temperatur abzukühlen. Dieses Abkühlen kann insbesondere dann, wenn die Trennfolie vor dem Abkühlen von der. Prepregbahn abgezogen wird, in relativ kurzer Zeit und auch mit geringem Energie­ aufwand erfolgen. Durch das Abkühlen der Prepregbahn auf eine Temperatur, bei der die in der Prepregbahn enthaltenen Wasseranteile gefroren sind, wird mehreres erreicht. Zum einen wird durch das Gefrieren der Wasser­ anteile die Prepregbahn steifer. Durch die erhöhte Steifigkeit können nach dem Querschneiden die einzelnen Prepregabschnitte, wie dünne Platten, leichter transpor­ tiert und behandelt werden. Ferner verliert das Harz durch die Abkühlung einen großen Teil seiner Klebrig­ keit und es bilden sich auch an der Oberfläche der Prepregbahn bzw. der Prepregabschnitte feine Eisteile. Durch Verringerung der Klebrigkeit und die Eisschicht können die aufeinandergelegten Prepregabschnitte trotz des auftretenden Kontaktes zueinander nicht sofort ver­ kleben und sind so wesentlich einfacher zu handhaben. Durch den Gleiteffekt der Eisschicht ist auch eine gegebenenfalls notwendige Positionskorrektur nach dem Aufeinanderlegen möglich. Die abgekühlte Prepregbahn kann außerdem leichter geschnitten oder gehackt werden, wobei eine geringere Verschmutzung der Schneid- oder Hackwerkzeuge eintritt. Der Transport der abgekühlten und mit einer Eisschicht überzogenen Prepregabschnitte bereitet kaum Probleme, denn durch die Abkühlung und die Eisschicht hat die Oberfläche der Prepregabschnitte jegliche Klebrigkeit verloren. Wesentlich ist ferner, daß die Trennfolie bereits vor dem Querschneiden von der Prepregbahn abgezogen wird. Dies kann nämlich während der Weiterbewegung der Prepregbahn ohne zusätz­ lichen Zeitaufwand und mit sehr geringem maschinellen Aufwand erfolgen. Durch die Abkühlung werden die Harz­ eigenschaften nicht verändert, jedoch wird die Hand­ habung der Prepregabschnitte wesentlich vereinfacht, sowie neue Handhabungsmöglichkeiten geschaffen, die nachstehend noch näher erläutert werden. Die einfachere Handhabung ermöglicht auch eine größere Wiederholgenauig­ keit beim Aufeinanderlegen der Prepregabschnitte.

Vorteilhafte Verfahrensmaßnahmen sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist in folgendem, anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 mehrere mittels des Verfahrens übereinander­ gelegte Prepregabschnitte,

Fig. 3 die graphische Darstellung der erreichbaren maximalen Festigkeit bei Prepreglagen, die mit ihren Hauptfaserrichtungen abwechselnd um jeweils 90° verdreht zueinander angeordnet sind.

In der Zeichnung ist mit 1 eine Prepregbahn bezeichnet, die aus einem mit wärmeaushärtbarem Kunstharz vorim­ prägnierten Fasergewebe, beispielsweise aus Karbon­ fasern, Glasfasern, Aramidfasern oder dgl. besteht. Diese Prepregbahn 1 ist beidseitig mit je einer Trenn­ folie 2, z. B. Silikonpapier, abgedeckt und zu einem Coil 3 aufgerollt. Das Prepreg wird in Richtung A bewegt und dabei werden zunächst die Trennfolien 2 von der Prepreg­ bahn 1 abgezogen und zu Rollen 4 aufgewickelt. In einer geeigneten Kühleinrichtung 5 wird die Prepregbahn auf eine Temperatur abgekühlt, bei der die in ihr enthal­ tenen Wasseranteile gefroren und ihre Oberflächen dadurch nicht mehr klebrig sind. Um die zur Weiterver­ arbeitung zur Verfügung stehende Zeit zu vergrößern, wird zweckmäßigerweise auf eine Temperatur von unter -5°C (bei Atmosphärendruck), vorteilhaft auf eine Temperatur zwischen -10° und -25°C abgekühlt. Das Abkühlen kann durch Beaufschlagung mit Flüssigkeiten oder Gasen (O₂, N₂ usw.) oder durch Anordnung der kom­ pletten Anlage in einem gekühlten Raum erreicht werden. Die Trennfolien 2 könnten, wie es strichpunktiert dar­ gestellt ist, auch nach der Kühleinrichtung 5 abgezogen werden, was jedoch mit einem größeren Energieaufwand bei der Kühlung verbunden wäre. Das gekühlte Prepreg­ band 1 wird durch eine Querschneideeinrichtung 6 in Prepregabschnitte 1a mit vorgegebener Länge geschnitten. Gegebenenfalls könnte die Prepregbahn 1 auch noch in gekühltem Zustand in ihrer Längsrichtung geschnitten werden. Zweckmäßiger ist es jedoch, bereits den Coil 3 vor dem Aufwickeln auf die gewünschte Breite zu bringen. Der jeweils abgetrennte Prepregabschnitt 1a wird dann, während er noch auf eine Temperatur abgekühlt ist, bei welcher die in ihm enthaltenen Wasseranteile noch ge­ froren sind, durch eine geeignete Transporteinrichtung 7, vorteilhaft eine Vakuumtransporteinrichtung, aufge­ nommen und in einer Stapelstation 8 transportiert. Durch Drehen der Transporteinrichtung 7 um ihre ver­ tikale Achse V wird der Prepregabschnitt in eine vor­ bestimmte Winkellage gegenüber dem zuvor auf dem Stapel S gestapelten Prepregabschnitt 1'a gedreht und auf diesem abgelegt. Die Transporteinrichtung 7 kann ver­ hältnismäßig einfach ausgebildet sein, denn durch die Abkühlung und das Gefrieren des Wassers haben die einzelnen Prepregabschnitte 1a eine erhöhte Stabilität. Durch das Abkühlen verringert sich die Klebrigkeit des im Prepreg enthaltenen Harzes, wobei jedoch immer noch eine gewisse Restklebrigkeit des reinen Harzes verblei­ ben kann. Die an der Oberfläche des Prepregs gebildeten Eispartikel bilden eine Gleitschicht, welche die Rest­ klebrigkeit des Kunstharzes unwirksam macht. Durch Kondensation und Gefrieren der in der Umgebungsluft enthaltenen Wasseranteile können sich zusätzliche Eispartikel auf der Oberfläche des Prepregs bilden. Infolgedessen bleiben die von der Transporteinrich­ tung 7 aufgenommenen Prepregabschnitte 1a an der Transporteinrichtung nicht haften. Die Transport­ elemente der Transporteinrichtung 7 können ferner zur besseren Reinigung mit Trennmittel oder mit einer kostengünstig auswechselbaren Hülle aus Trennfolie überzogen sein.

Nachdem die vorbestimmte Anzahl von Prepregabschnitten in dem Stapel S übereinandergestapelt wurde, verkleben die einzelnen Prepreglagen bei Verarbeitung bei Raum­ temperatur nach einiger Zeit miteinander, wenn das Harz durch Temperaturerhöhung wieder seine normale Klebrigkeit erreicht hat. Dieser Zeitraum kann jedoch durch kurzzeitiges Verpressen der übereinander gesta­ pelten Prepregabschnitte mit geringem Druck und bei erhöhter Temperatur verkürzt werden. Für dieses kurz­ zeitige Fixierpressen empfehlen sich mit einer Trenn­ schicht, z. B. Silikon oder Teflon versehene, oder mit einer entsprechenden Hülle ummantelte, beheizte Bau­ teile, da hierdurch der spätere Arbeitsaufwand für die Reinigung entscheidend verringert wird. Diese Bau­ teile müssen zur Fixierung dabei nicht die gesamte Fläche des Stapels S abdecken. Das so erzeugte, aus mehreren Prepregabschnitten bestehende und fixierte Prepreg-Flächengebilde kann in einem weiteren, üblichen Arbeitsschritt durch Formpressen und Wärme­ aushärtung zu dem gewünschten Faserverbund­ bauteil, insbesondere einer Faserverbundplatte gepreßt werden.

Die nach der Abkühlung erreichte Temperatur ist für den bis zum Aufeinanderlegen der Prepregabschnitte zur Verfügung stehenden Zeitraum ausschlaggebend. Um entsprechend dem jeweils eingesetzten Harzsystem genügend Zeit zur Durchführung der einzelnen Arbeits­ abläufe zu haben, kann beispielsweise durch Herab­ setzung der Raumtemperatur diese Zeit zusätzlich ver­ längert werden. Falls die Raumtemperatur unterhalb von -5°C abgesenkt wird, hat man in jedem Fall genü­ gend Zeit zum Aufeinanderlegen der Prepregabschnitte. Diese Verfahrensvariante empfiehlt sich besonders bei Kleinserien oder bei Einzelfertigung von Hand. Es kann jedoch hierdurch das Fixieren erschwert werden.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie man durch Aufeinander­ legen einer größeren Anzahl von Prepreglagen 1a, die jeweils um 15° zueinander verdreht angeordnet sind, eine in jeder Richtung sehr homogene Werkstoffstruktur erreichen kann. Die maximale Festigkeit und auch die Längenausdehnung ist dann in jeder Richtung parallel zum Lagenaufbau nahezu gleich groß.

Legt man hingegen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, die Prepreglagen so übereinander, daß sie jeweils um 90° verdreht zueinander angeordnet sind, dann hat das hieraus hergestellte Faserverbundbauteil seine maximale Festigkeit nur in Richtung der beiden senkrecht zuein­ ander verlaufenden Hauptfaserachsen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bildung eines mehrlagigen, laminierten Prepreg-Flächengebildes, welches in einem späteren, Formpressen und Wärmeaushärtung umfassenden Arbeitsschritt zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles dient, bei dem eine mit wärmeaushärtbarem Kunstharz vorimprägnierte, mindestens einseitig mit einer Trennfolie abgedeckte, langgestreckte Faserbahn (= Prepregbahn) zumindest durch Querschneiden in einzelne Prepregabschnitte vorbestimmter Größe unterteilt wird, die Trennfolie nach oder vor dem Unterteilen entfernt, die Prepregabschnitte, gegebenenfalls mit zueinander verdrehten Hauptfaserrichtungen übereinandergelegt und gegebenenfalls durch Andrücken gegeneinander fixiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Prepregbahn vor dem Querschneiden auf eine solche Temperatur abgekühlt wird, bei der die in ihr enthaltenen Wasseranteile gefrieren und ihre Oberflächen dadurch nicht mehr klebrig sind, daß vor oder nach dieser Abkühlung die ungeschnittene(n) Trennfolie(n) von der Prepregbahn abgezogen wird (werden), daß dann das Querschneiden erfolgt und daß der jeweilige Prepregabschnitt im unterkühlten Zustand in der vorbestimmten Lage auf einen zuvor gestapelten Prepregabschnitt abgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung der Prepregbahn auf eine Temperatur unter -5°C (bei Atmosphärendruck) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung auf eine Temperatur zwischen -10°C und -25°C (bei Atmosphärendruck) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ab der Abkühlung der Prepregbahn das weitere Verfahren bei einer Raumtemperatur unter 0°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlten Prepregabschnitte mittels einer Vakuumtransporteinrichtung weitertransportiert und übereinandergelegt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Vakuumsauger verwendet werden, die mit Trennmittel behandelt oder mit einer Hülle aus Trennfolie überzogen sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fixieren der übereinandergestapelten Prepregabschnitte durch kurzzeitiges Zusammendrücken mit geringem Druck und bei erhöhter Temperatur erfolgt.