EP1565306A1

EP1565306A1 - Verfahren zur herstellung eines 3-dimensionalen preforms

Info

Publication number: EP1565306A1
Application number: EP03775250A
Authority: EP
Inventors: Paul JÖRN
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-08-24
Also published as: WO2004039566A1; US20060169396A1; DE10250826B4; DE10250826A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms aus textilen Ausgangsmaterialien wie Fasern (2), Fasernbündeln oder Tapes. Die textilen Ausgangsmaterialien (2) werden zweidimensional in einer Ebene abgelegt, wobei die Orientierung der Fasern und die Geometrie des zweidimensionalen Geleges durch Rückrechnung aus der dreidimensionalen Zielform (1) bestimmt worden ist. Durch Umformen / Drapieren des zweidimensionalen Geleges wird die dreidimensionale Zielform (1) hergestellt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines 3-di ensionalen Prefoπns

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms wobei in einem ersten Schritt ein zweidimensionales Gelege in einer E- bene hergestellt wird und anschließend dann ein For- mungs- / Drapierungsprozeß zur dreidimensionalen Zielform erfolgt.

Bei der Herstellung faserverstärkter Kunststoffe kom- men 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 Ver- arbeitungsprozessen 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 Temperatur ausgehärtet .

Die Fixierung von Preforms kann mit Hilfe eines Binders, mit dem Matrixsystem oder durch eine mechanische Fixierung, wie z.B. Nähen, geschehen. Bei den verwendeten Bindersystemen handelt es sich hauptsäch- lieh um thermoplastische Substanzen, die z.B. pulver- förmig auf das Halbzeug aufgebracht und unter Te pe- ratureinfluß aktiviert werden. Neben einer Festlegung der Faserorientierung können die Bindersysteme dazu verwendet werden, die Preforms in einem kompaktierten Zustand zu fixieren.

Heute werden textile Vorprodukte wie z.B. Gewebe, Multiaxialgelege und Geflechte zur Herstellung von faserverstärkten Hochleistungskunststoffen verwendet, aus denen ein Preform durch Konfektionierung und Drapiervorgänge hergestellt wird. Die meisten dieser Halbzeuge werden bei ihrer Herstellung nicht optimal für ein spezifisches Bauteil hergestellt. Die Folgen sind ungenaue oder unerwünschte Faserorientierungen und weitere Nachteile, wie z.B. Überlappungen. Des weiteren gibt es Verfahren, mit denen aus einzelnen Faserbündeln (Rovings) bauteilangepaßte Preforms hergestellt werden können. Zu diesen Fertigungsverfahren zählen unter anderem das Wickeln, (Tailored) Fibre Placement, Tapelegen und Tow-Placement . Dabei lassen besonders das Wickel-, Tow-Placement und (Tailored) Fibre Placement Verfahren die Herstellung komplexer

Preforms mit einer gezielten Faserausrichtung zu. Für komplexe dreidimensionale Strukturen sind dabei besonders das Wickel- und das Tow-Placement-Verfahren geeignet .

Bei Faserwickeln werden Fasernhalbzeuge auf einen rotierenden Kern aufgewickelt. Durch die Position des Faserträgers (Fadenauge) kann der Ablegewinkel festgelegt werden. Im Normalfall wird als Halbzeug ein oder mehrere trockene Rovings verwendet, die direkt vor dem Wickelprozeß in einem temperierten Matrixbad getränkt werden (Nass Wickeln) oder es werden vorimprägnierte Prepregrovings verwendet (Prepregverfahren) . Wobei Prepregfaserhalbzeuge einfacher zu verarbeiten sind und bessere Laminatqualitäten erreicht werden können. Ein weiteres Verfahren ist das söge- nannte Trockenwickeln. Das nachträgliche Imprägnieren von zuvor trocken gewickelten Bauteilen kann mit unterschiedlichen Injektionsverfahren realisiert werden. Das Bauteil wird direkt auf dem Kern ausgehär- tet . Als Wickelkörper werden verlorene Kerne, teilbare Kerne oder flexible aufblasbare Kerne verwendet .

Die Fertigung von komplexen Bauteilen ist zwar möglich, allerdings ist das Einbringen von gezielten Verstärkungen kaum möglich, da die Fasern immer auf einem größeren Umfang abgelegt werden. Wickelmaschinen mit sechs oder mehr Achsen erlauben es dem Konstrukteur die Position und Orientierung des Fadenauges genau festzulegen. Die Fadenzufuhr kann damit entlang der x- , y- oder z-Achse geschehen und ermög- licht die Rotation des Fadenauges um die drei orthogonalen Achsen, so daß auch nicht- rotationssymmetrische Körper, wie z.B. T-Träger hergestellt werden können. Die Hauptanwendung der Wickeltechnik ist das Herstellen von zylinderförmigen Bauteilen (z.B. Leitungen, Strukturen, Stäbe, usw.) und Behältern (Druckbehälter, usw) . Es können auch größere Bauteile gefertigt werden, wie z.B. Rohre mit Durchmessern von über 10m.

Werden Thermoplaste als Matrixwerkstoff oder als Binder verwendet, so wird das Halbzeug zusammen mit dem Harz erhitzt und nach der Ablage auf dem Kern abgekühlt. Die Legegeschwindigkeiten sind aufgrund dieser Prozesse langsamer als bei duroplastischen Harzen.

Das Ablegen von schmalen Einzelfäden, sowie Fiber- Placement, ist ein weiteres Herstellungsverfahren, das sich besonders zur Herstellung komplexer gekrümm- ter Bauteile eignet. Dabei werden die vorimprägnierten Fäden einzeln zum Ablegekopf befördert, dort zu einem schmalen Faserband zusammengeführt und auf dem Bauteil abgelegt. Statt ein Harzsystem kann zur Fi- xierung auch ein Binder verwendet werden, so daß man einem trockenen Preform erhält, der erst anschließend mit Harz injiziert wird.

Bei einigen Verfahren werden besonders schmale Tapes (Breite < 3mm) oder Faserbündel (werden auch Tow ge- nannt) verwendet. Diese Verfahren werden deshalb auch als Tow-Placement Verfahren bezeichnet. Sie verfügen über eine große Flexibilität, indem die Fasern einzeln geschnitten und beliebig verlegt werden können. Mit kommerziell erhältlich Anlagen können zwischen ein und 32 Tows gleichzeitig abgelegt werden. Es ist damit möglich Fasern auf komplexen dreidimensionalen Geometrien abzulegen und gezielte Verstärkungen zu realisieren. Faltenwurf, der bei einem Tapelegever- fahren bei zu kleinen Radien auftritt, kann durch die Anpassung der einzelnen Tows bis zu einem bestimmten

Maß verringert werden. Dafür ist es erforderlich, daß neben einer individuellen Ablegegeschwindigkeit auch die Kompaktierung und der Zuschnitt der einzelnen Tows separat gesteuert wird.

Die beiden beschriebenen Verfahren haben den Nachteil, daß bestimmte Preformgeometrien und Faserorientierung nicht realisierbar sind. Das Tow-Placement Verfahren ist zwar flexibler, allerdings auch be- schränkt insbesondere aufgrund der geringen Legegeschwindigkeiten auf komplexen dreidimensionalen Geometrien und bei der Herstellung kleiner Radien. Zur Herstellung von Preforms mit komplexen Geometrien und Faserorientierungen mit Tow-Placement sind sehr teure Anlagen (z.B. Legeroboter) nötig die den Bauteilpreis in die Höhe treiben und trotzdem nur geringe Legegeschwindigkeiten erreichen.

Auch bei der Herstellung von Multiaxialgelenken werden einzelne Rovings unter einem definierten Winkel abgelegt . Dabei handelt es sich um einen Prozeß, der zwar einen hohen Massendurchsatz aufweist, aber nur die Herstellung ebener Halbzeuge mit konstant fort- laufender Faserorientierung zuläßt. Werden Multiaxi- algelenke bei dem Aufbauen von dreidimensionalen Preforms durch Drapieren verwendet, so ändern sich die Faserwinkel innerhalb des Geleges. Im Normalfall ist diese Winkelanderung nicht erwünscht und nicht opti- mal auf den Preform oder das dreidimensionale Bauteil abgestimmt .

Ausgehend hiervon ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben bei dem ein bauteilangepaßter Fertigungsprozeß für dreidi en- sional Faser verstärkte Bauteile möglich ist, wobei sowohl komplexe dreidimensionale Geometrien, eine optimale Faserorientierung und eine hohe Legeleistung bei einem relativ geringen Anlagenaufwand ermöglicht werden sollen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst . Die Unter nsprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf .

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen einen Flächenbildungsprozeß, das heißt einen Prozeß zur Her- Stellung eines zweidimensionalen ebenen Fasergeleges mit einem Umformprozeß zu kombinieren. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei die Orientierung und die Geometrie der textilen Ausgangsmaterialien für das zweidimensionale in einer Ebene liegende Gelege durch Rückrechnung aus der dreidimensionalen Zielform bestimmt. Das neue Verfahren nutzt dabei den Umstand, daß am Ende des flächenbildenden Textilpro- zeßes (Verfahrensschritt a) ) die Fasern noch nicht endgültig fixiert sind. Durch Umformen / Drapieren werden die an diesem Punkt noch verschiebbaren Fasern in die gewünschte Orientierung und Geometrie gebracht .

Damit steht erstmals ein Verfahren zur Verfügung bei dem die dreidimensionale Zielform exakt die Faserorientierung und die Geometrie aufweist die von dem Preform gefordert wird. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß durch die Bildung des zweidimensionalen in einer Ebene liegenden Geleges eine hohe Legegeschwindigkeit erreicht werden kann und daß dadurch der Anlagenaufwand minimiert ist . Die ebene Herstellung des Preforms ist dabei bauteilangepaßt so daß sich beim an- schließenden Umformen / Drapieren die gewünschte Faserorientierung und Geometrie einstellt . Vor dem Legevorgang ist es deshalb erforderlich die Faserorientierung und die Geometrie des ebenen Preforms zu berechnen so daß sich nach dem Umformvorgang / Drapier- Vorgang die geforderte Faserrichtung und Geometrie einstellt. Diese Berechnungen sind an und für sich aus dem Stand der Technik bekannt. Beim erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren handelt es sich somit um einen Preformherstellungsprozeß der gezielt auf eine spätere dreidimensionale Kontur ausgerichtet ist die durch Umformen / Drapieren erreicht wird. Diese Orientierung und das Umformen der textilen Ausgangsmaterialien kann dabei durch einen in der Geometrie angepaßten Zwischenträger und verschiedene Umformwerkzeu- ge erreicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich mit allen aus dem Stand der Technik bekannten Aus- gangsmaterialien durchführbar, so z.B. mit Fasern, Fasernbündel oder Tapes .

Die Fixierung der Fasern kann mit allen aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen durchgeführt werden. So kann einerseits eine mechanischen Fixierung z.B. mittels Pins, Klemmelementen, Haftstreifen oder Bürsten erfolgen oder eine chemische Fixierung mittels Binder. Es ist auch möglich, mit vorimprägnierten Textilmaterialien zu arbeiten.

Die Fixierung kann dabei vor, während oder nach dem Umformen / Dapierungsprozeß erfolgen.

Das Legen des Preforms zum zweidimensionalen in einer Ebene liegenden Flächengebildes ist mit unterschiedlichen Verfahren möglich, so z.B. durch Wickeln um Pins oder mit anderen Fixierungshilfen, durch Tow- Placement / Fibre-Placement (Prepreg oder Binder) und durch Legen von trockenen Fasern und einer Vernähung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur 1 näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungs- gemäßen Verfahrens. Figur 1.1. zeigt beispielhaft das Legen des Preforms 1 und der einzelnen Faserorientie- rungen. Die Fixierung der Fasern 2 erfolgt dabei mittels Pins, Klemmelementen, Haftstreifen oder Bürsten 3. Als textile Ausgangsmaterialien können dabei sowohl Rovings oder Faserbündel eingesetzt werden.

Bei der Ausführungsform nach Figur 1 wird wie aus der Figur 1.2. hervorgeht nach Bildung des zweidimensio- nalen Fasergeleges das Preform 1 entnommen und falls erforderlich zugeschnitten. Wesentlich beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß ein ebenes Preform 1 vorliegt wobei der Faserverlauf und die Geometrie vorberechnet worden ist. Die berechnete Fasergeometrie und die Orientierung wird dabei durch Rückrechnung aus der endgültigen dreidimensionalen Zielform des Preforms ermittelt.

Nach dem Entnehmen des Preforms und dessen Zuschnei- den wird dann das Preform einem Umformung- / Drapierungsprozeß unterzogen (1.3) . Der dann dabei hergestellte Faserverlauf entspricht genau dem Faserverlauf wie er beim Zielpreform sein soll .

Nach Durchführung des Umformungsprozeßes wird dann das Preform entnommen und gegebenenfalls zugeschnitten (1.4) .

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Preforms aus textilen Ausgangsmaterialien wie Fasern, Fasernbündeln oder Tapes,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,

a) daß die textilen Ausgangsmaterialien zweidi- mensional in einer Ebene abgelegt werden wobei die Orientierung der Fasern und die Geo- metrie des zweidimensionalen Geleges durch

Rückrechnung aus der dreidimensionalen Ziel- form bestimmt worden ist,

b) daß durch Umformen / Drapieren des zweidimensionalen Geleges die dreidimensionale Ziel- form hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Schritt b) eine Kompaktierung durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, dadurch ge- kennzeichnet daß, als textile Ausgangsmaterialien Fasern, Fasernbündel oder Tapes eingesetzt werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung mechanischer Fixierungshilfen und/oder ein Binder eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß als Fixierungshilfen Pins, Klemmelemente, Haftstreifen oder Bürsten, verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich- net, daß die Fixierung der textilen Ausgangsmaterialien durch Vernähen erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der textilen Ausgangsma- terialien durch Einbringen eines Binders vor, während oder nach dem Umformen / Drapierungsvorgang erfolgt .

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als textile Ausgangsmaterialien vorimprägnierte Textilmate- rialien wie Fasern oder Fasernbündel verwendet werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ver- fahrens Schritt a) das zweidimensionale Gelege entnommen und gegebenenfalls zugeschnitten und dem dreidimensionalen Umformungs- / Drapierungsprozeß zugeführt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verf hren Schritt b) ein Zuschneiden des dreidimensionalen Preforms erfolgt .