EP2720856A1 - Drapier- und formpresswerkzeug und verfahren zur herstellung einer preform und eines faserkunststoffverbundbauteils - Google Patents

Drapier- und formpresswerkzeug und verfahren zur herstellung einer preform und eines faserkunststoffverbundbauteils

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EP2720856A1
EP2720856A1 EP11799076.2A EP11799076A EP2720856A1 EP 2720856 A1 EP2720856 A1 EP 2720856A1 EP 11799076 A EP11799076 A EP 11799076A EP 2720856 A1 EP2720856 A1 EP 2720856A1
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EP
European Patent Office
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draping
tool
molding tool
preform
segments
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11799076.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Eberdt
Simon Klumpp
Thomas Kolb
Moritz SCHRÖDER
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Filing date
Publication date
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Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2720856A1 publication Critical patent/EP2720856A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29C2043/3626—Forming elements, e.g. mandrels or rams or stampers or pistons or plungers or punching devices multi-part rams, plungers or mandrels

Definitions

  • the invention relates to a draping and compression molding tool for creating an at least partially consolidated preform and the manufacturing process itself and further the production of a fiber-reinforced plastic composite component from the preform.
  • the preforming of textile precursors is known, wherein the so-called preforms are formed, which are at least approximated in shape to the fiber composite structures to be produced therefrom.
  • This preforming also called preforming, so far represents a step that requires high manual effort in terms of time and cost.
  • DE 10 2008 042 574 B4 discloses a device for automatically depositing and draping a plurality of web-shaped sections of a fabric, in particular one multiaxial fiber fabric and / or a reinforcement fabric, to create a profile preform on a core by repeatedly laying and draping the sections.
  • a curable plastic material in a mold, the reinforcing profile is obtained.
  • individual fabric layers are deposited and draped on the mold core by means of cassettes.
  • a binder powder is sprinkled on each individual layer, after which the binder of the fabric layer stack is melted and cured.
  • the compaction is carried out by a press device, which itself can be tempered by means of, for example, induction coils and cooling devices, so that the binder of the preform is cured quickly.
  • the preform is removed from the tool and fed to the mold. in which the preform is infiltrated with resin according to the known RTM technique and cured.
  • the manufacturing process should be accelerated and the device should be universally applicable.
  • a further object of the present invention is to provide a production method for preforms or the fiber composite components which can be produced therefrom with improved automation and thus reduction of the workpieces to be performed manually, so that high quantities can be achieved cost-effectively.
  • the invention with the features of claim 10 discloses a method for producing a fiber-plastic composite component from a preform using a draping and molding tool according to the invention.
  • a first embodiment relates to a draping and molding tool with two mold halves, whose mutually facing surfaces are shaped shaping, which serves to produce an at least partially consolidated preform.
  • one or both of the tool halves has a plurality of liftable, individually controllable and individually movable plunger segments, which form the tool surface form the corresponding tool half.
  • These individually controllable and movable plunger segments enable an automated drawer p réelle a whole fiber layer stack and therefore allows the device according to the invention over the known methods in which each individual layer is draped for itself, a much faster approach.
  • the plunger segments allow the uncomplicated variation of the shaping surface of the tool halves, so that different shaped preforms can be produced in a draping and molding tool by the plunger segments are driven accordingly.
  • this may be the upper tool half, which provides a positively shaping tool surface, while the segmentless lower tool half is made solid with a fixed tool surface.
  • the draping and molding tool may comprise a heater comprising a plurality of has individually controllable heating elements which are arranged in or below the tool surface of one or both mold halves, that is in or below the tool surface formed by the plunger segments, respectively in the plunger segments.
  • the heating elements lie in or below the tool surface of the segmentless tool half and / or in the mold half executed with the plunger segments.
  • the heating elements may be inductors and / or hot impingement nozzles. Due to the heating of the binder material in the closed mold further process time is saved, whereby draping, binder melting and compacting follow in a seamless process and the steps can overlap in time.
  • the draping and molding tool can have a heating device which can be moved in a straight line between the tool halves in coordinated movement with the individually movable plunger segments.
  • the binder material can be melted in the fiber layers, immediately before the tappet segments move to the fiber layers.
  • the draping and molding tool may include a cooling device, the nozzles, in particular Having air nozzles, which can be distributed over the surface or arranged laterally, for example in a mold half.
  • the draping and molding tool may further form a fixed work station or may also be arranged as a portion of a controllably movable robot device on a robot arm or a robot hand.
  • the draping and molding tool should also serve as an RTM tool in order to produce the FRP component from the preform in the draping and molding tool directly after production of the preform
  • the draping and molding tool can be injection-molded for a matrix-forming plastic system.
  • Other necessary for the RTM process facilities such as heating means for providing a curing temperature of the matrix-forming plastic system or means for exerting a pressing pressure may additionally be integrated, but it can also be the existing heaters and the ram segments designed to provide the curing temperature and the pressing pressure.
  • the draping and molding tool comprises a plurality of lower tool halves without segment plungers, which can be moved into and out of the draping and molding tool.
  • the segmentless tool halves may also have different shaping tool surfaces, which can be used in the draping and molding tool for producing differently shaped preforms or FVK components, respectively, by the plunger segments of the upper mold half are respectively driven to enter the tool surface of the lower Tool half corresponding position to move.
  • the flexible and adaptive draping and compression molding tool can be used for geometry imaging of only one positive mold when only one tool half, in particular the upper tool having tappet segments, and one positive and negative molds when both tool halves have tappet segments.
  • the ram segments which can also have different widths and / or depths, depending on the complexity of the shape to be formed, may be hydraulic, pneumatic or electromotive moving ram segments.
  • the draping and molding tool according to the invention allows rapid, flexible geometry changes of the shaping tool surface using the same ram segments and is therefore a tool for any desired geometry of the preform to be produced or of the fiber composite component to be produced therefrom.
  • Another object of the invention relates to a method for providing a molded and at least partially consolidated preform using a previously described draping and molding tool according to the invention.
  • the method comprises first the step of arranging fiber layers such as loops, fabrics, mats, nonwovens, knits, etc. comprising a binder material, in particular in powder form, between the tool halves in the draping and molding tool, of which two tool halves at least one tool half are liftable , individually controllable and individually movable ram segments includes.
  • the plunger segments are driven and moved locally successively in the direction of the inserted fiber layers, wherein the fiber layers are draped as a stack by means of local pressure through the plunger segments.
  • the assumption of the drapery work by the ram segments shortens the process time, whereby at the same time a particularly good draping is achieved by the local control of the pressing process.
  • the preform can be obtained in its geometric representation at an early stage of the procedure, wherein the geometrically determined storage of individual reinforcement layers in the tool provides for defined force introduction paths.
  • the draping process is supported.
  • the heating device (s) is / are actuated in a coordinated manner, so that the fiber layer stack is heated at least locally.
  • the fiber layer stack can be heated transversely to a longitudinal extent of the plunger segments and that following the Drapierzi performed by the plunger segments.
  • the at least partially consolidating the preform then takes place with or without additional cooling.
  • induction or hot air impingement leads to locally stronger consolidation of the preform, which can be used for fixation and handling operations, such as when the preform is converted into an RTM form.
  • Flat heating for example, also by induction or hot air impingement, leads to planar consolidation of the preform, which can be used for fixation and handling operations, then for example by means of suction pads.
  • the preform obtained can then be converted into an RTM tool for producing the fiber-plastic composite component in which it is impregnated with a matrix-forming plastic, after which the impregnated preform is cured under defined conditions which depend on the type of matrix-forming plastic system used Fiber plastic composite component is obtained.
  • a draping and molding tool can be used with which the preform has been made by additionally providing the draping and molding die with a corresponding injector for the matrix-forming plastic system. Then the preform can be left in the closed draping and molding tool after its production and the injection of the matrix-forming plastic system and thus the impregnation of the preform with the matrix-forming plastic system in the draping and molding tool can take place. There are then also provided for the respective matrix-forming plastic system curing conditions, which is in particular the heating of the impregnated preform to a curing temperature of the matrix-forming plastic system, in particular under exercise of a pressing pressure by the ram segments of at least one mold half.
  • the fiber-reinforced plastic composite component can be removed from the mold. It is conceivable that the final contour of the FRP component should deviate more or less from that of the preform. This can be achieved in that in the lower mold half movable slides are arranged, the injection of the
  • Plastic matrix release a cavity It is also conceivable to provide liftable movable plunger segments instead of the slides. By moving the slides or the plunger segments of the lower mold half and thus as a result of the provision of additional mold cavities formed by the respective cavity, it is possible to achieve changes in the component contour. In the same way, the Tappet segments of the upper mold half can be experienced by exposing an upper cavity and thus contribute to changing the component shape. In a particularly advantageous manner, it is possible by means of this tool or method to produce completely different FVK component shapes with a single tool by different loading of the slide or the plunger segments without operating a conversion effort.
  • FIG. 1 is a schematic side sectional view through an inventive Drapier- and compression molding tool, wherein the upper tool has the ram segments
  • Fig. 2 is a schematic side sectional view through a further inventive
  • Draping and molding tool in which both tool halves have the ram segments.
  • the invention relates to a method and an apparatus for producing fiber-reinforced plastic composite components, in particular components made of a carbon fiber composite plastic.
  • a draping and molding tool according to the invention is used, which allows cost-effective high automation and thereby the realization of high volumes, as required, for example, in the production of motor vehicle components.
  • the draping and compression molding tool is universally applicable, i. for the production of a variety of different complex three-dimensionally shaped preforms or components.
  • a segmented press tool is provided with the draping and molding tool shown in Figures 1 and 2, wherein in Fig. 1, only one mold half 1, the hubbeweglichen, individually controllable and individually movable plunger segments 3,3 ', which to form the forming tool surface of the 1, here the positive mold, while the lower tool 1 "is made solid and provides the negative mold with its tool surface
  • the ram segments 3, 3 ' can preferably be actuated hydraulically, pneumatically or by an electric motor. As can be seen in FIG.
  • the ram segments can be arranged individually to one another for forming the positive and negative shaping tool surfaces 3,3 'furthermore have different widths, in order to be able to simulate a complex shape better, for example, wider ram segments 3 may be provided in regions in which the shape is flat or has only a slight curvature, while narrower segments 3' are used in places can be, which have a more complex shape course.
  • textile fiber layers such as multiaxial fiber fabric, reinforcing fabric, scrims, mats, nonwovens, knitted fabrics etc, which comprise a preferably powdered binder material, between the tool halves 1, 1 'introduced, after which the fiber layers as a stack by local pressing by local successive closing of the ram segments 3,3 'draped.
  • the fiber layer stack is - following the Drapierterrorism, ie in the transverse direction to the longitudinal extent of the plunger segments 3,3 '- heated, which allows optimal draping and no shift position due to shearing due to already melted binder material permits.
  • the draping movement can take place radially from the center of the mold or outwards or from left to right or from right to left.
  • the preform 2 is at least locally consolidated and then, without losing its shape, can be removed from the tool and fed to a RTM tool to be impregnated and cured with a resin in an RTM process to produce the fiber-plastic composite component ,
  • the consolidated preform 2 can be subjected to the RTM process in the same tool, in which case the lower tool 1 'should be made solid as shown in FIG. 1.
  • the heating in the draping and compression molding tool for consolidating the preform 2 and optionally for curing the fiber-plastic composite component can be effected by heating elements, which can be arranged, for example, in the segmentless lower die 1 ".
  • the plunger segments 3, 3 'of the other tool half 1 can also be equipped with heating means Hot impingement nozzles for non-contact heating in question, which are then respectively built in or below the tool surface of the respective mold half, so possibly in the segments 3,3 '.
  • a surface heating can be carried out in particular where no position shifts of the fiber layers are to be expected.
  • the cooling for the consolidation of the fiber layer stack can be effected by means of air flow, preferably by means of nozzles, which can be distributed over at least one of the tool surfaces and / or arranged laterally.
  • the lower mold half 1 may also be segmented, as shown in FIG. Due to the segmentation with the movable plunger segments 3,3 'can be achieved with a single tool and very quickly any conceivable 3D surface geometry in the formation of flat FRP components.
  • the tool may be permanently installed in a workstation or may be part of a robotic arm or hand.
  • the draping of a fiber layer stack according to the invention can be carried out much faster than the known processes of the single layer drape.
  • the assumption of Drap réellesarbeit by the plunger segments 3,3 'further shortens the process time, in which case a particularly good draping is achieved by the local control of the Andrückvorgangs.
  • the number of tool components required to form a FRP component is minimized to a single tool, in which case the draping and molding tool having additional devices for impregnation and curing in the tool.
  • This is in particular one (or more) injection device (s) for the matrix-forming plastic, for example a resin system.
  • injection device for the matrix-forming plastic, for example a resin system.
  • necessary for curing facilities such as for temperature control and pressurization can be additionally integrated, but it can also be the heating elements that are designed to melt the binder material for consolidating the preform 2 and controllable that they are the tool, respectively the impregnated preform can heat to a curing temperature of the respective plastic system.
  • the plunger segments 3, 3 'and their drive can be designed in such a way that they can exert the pressure required for the curing.
  • the RTM process for the production of the finished FRP component in the draping and compression molding tool also further optimizes the production time.
  • the lower tool 1 'as shown in Fig. 1 should be solid, so non-segmented.
  • sub-tools 1 ' can be provided, which are moved out of the overall tool after component production, so that a lower tool 1' charged with a new fiber layer stack outside the draping and molding tool can be retracted while the finished preform 2 or the FRP component is extended out of the draping and compression molding tool for removal.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt zur Fertigung einer zumindest abschnittsweise konsolidierten Preform (2) ein Drapier- und Formpresswerkzeug mit zwei Werkzeughälften (1,1') bereit, deren Oberflächen einander zugewandt sind. Dabei umfasst zumindest eine der Werkzeughälften (1,1') eine Mehrzahl hubbeweglicher, einzeln ansteuerbarer und einzeln verfahrbarer Stösselsegmente (3, 3'), die eine Werkzeugoberfläche der Werkzeughälfte (1,1') bilden. Die vorliegende Erfindung offenbart ferner ein Verfahren zur Schaffung einer geformten und zumindest abschnittsweise konsolidierten Preform (2) unter Verwendung eines Drapier- und Formpresswerkzeugs sowie zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils aus einer Preform (2) unter Verwendung eines Drapier- und Formpresswerkzeugs.

Description

Drapier- und Formpresswerkzeug und Verfahren zur Herstellung einer Preform und eines
Faserkunststoffverbund bauteils
Die Erfindung betrifft ein Drapier- und Formpresswerkzeug zur Schaffung einer zumindest abschnittsweise konsolidierten Preform sowie das Herstellungsverfahren selbst und weiter die Fertigung eines Faserkunststoffverbundbauteils aus der Preform.
Aus dem Stand der Technik ist das Vorformen von textilen Vorprodukten bekannt, wobei die sogenannten Preforms gebildet werden, die in ihrer Formgebung den daraus herzustellenden Faserverbundstrukturen zumindest angenähert sind. Dieses Vorformen, auch Preforming genannt, stellt bislang einen Arbeitsschritt dar, der hohe manuelle Aufwendungen hinsichtlich Zeit und Kosten erfordert.
Um eine großserientaugliche Herstellung von solchen Vorformlingen für die Herstellung von zumindest eindimensional gekrümmten Verstärkungsprofilen aus einem Verbundmaterial wie beispielsweise einem kohlefaserverstärkten Epoxidharzsystem zu erlauben, offenbart die DE 10 2008 042 574 B4 eine Vorrichtung zum automatischen Ablegen und Drapieren einer Vielzahl bahnförmiger Abschnitte eines Flächengebildes, insbesondere eines multiaxialen Fasergeleges und/oder eines Verstärkungsgewebes, zur Schaffung eines Profilvorformlings auf einem Kern durch wiederholtes Ablegen und Drapieren der Abschnitte. Durch Imprägnierung des Profilvorformlings mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial in einem Formwerkzeug wird das Verstärkungsprofil erhalten. Dabei werden dort einzelne Gewebelagen mittels Kassetten auf dem Formkern abgelegt und drapiert. Währenddessen wird auf jede einzelne Lage ein Binderpulver gestreut, wonach der Binder des Gewebelagenstapels aufgeschmolzen und ausgehärtet wird. Die Kompaktierung erfolgt durch eine Presseneinrichtung, die selbst mittels bspw. Induktionsspulen und Kühleinrichtungen temperierbar ist, so dass der Binder der Preform schnell ausgehärtet ist. Hiernach wird die Preform aus dem Werkzeug entnommen und dem Formwerkzeug zu- geführt, in dem die Preform gemäß der bekannten RTM-Technik mit Harz infiltriert wird und ausgehärtet wird.
Davon ausgehend soll der Herstellungsprozess beschleunigt werden und die Vorrichtung dazu universell einsetzbar sein.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der der Herstellungsprozess beschleunigt werden kann, während gleichzeitig die Vorrichtung universell einsetzbar sein soll.
Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Herstellungsverfahrens für Preforms bzw. die daraus herstellbaren Faserkunststoffverbundbauteile mit verbesserter Automatisierung und damit Verringerung der manuell durchzuführenden Arbeitsanteile, so dass hohe Stückzahlen kosteneffektiv erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
Schließlich offenbart die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 ein Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils aus einer Preform unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Drapier- und Formpresswerkzeugs.
Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf ein Drapier- und Formpresswerkzeug mit zwei Werkzeughälften, deren einander zugewandten Oberflächen formgebend gestaltet sind, das dazu dient, eine zumindest abschnittsweise konsolidierte Preform zu fertigen. Um nun die zur Herstellung der Preform verwendeten Faserlagen, die zwischen den Werkzeughälften angeordnet werden, schnell und automatisiert in Form drapieren zu können, hat daher die eine oder auch beide der Werkzeughälften eine Mehrzahl hubbeweglicher, einzeln ansteuerbarer und einzeln verfahrbarer Stösselsegmente, die die formgebende Werkzeugoberfläche der entsprechenden Werkzeughälfte bilden. Diese einzeln ansteuerbaren und verfahrbaren Stösselsegmente ermöglichen eine automatisierte Dra- pierung eines ganzen Faserlagenstapels und daher erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber den bekannten Verfahren, bei denen jede Einzellage für sich drapiert wird, ein deutlich schnelleres Vorgehen. Femer ermöglichen die Stösselsegmente das unkomplizierte Variieren der formgebenden Oberfläche der Werkzeughälften, so dass verschieden geformte Preformen in einem Drapier- und Formpresswerkzeug hergestellt werden können, indem die Stösselsegmente entsprechend angesteuert werden.
Weist nur eine der Werkzeughälften die Stösselsegmente auf, so kann dies die obere Werkzeughälfte sein, die eine positiv formgebende Werkzeugoberfläche bereitstellt, während die segmentlose untere Werkzeughälfte massiv mit einer festgelegten Werkzeugoberfläche ausgeführt ist.
Um zeitgleich oder zeitnah mit dem Drapiervorgang die in Form drapierten Faserlagen, die ein Bindermaterial umfassen, so zu konsolidieren, dass einer oder mehrere Abschnitte unabhängig von anderen Abschnitten der Konsolidierung unterzogen werden, kann das Drapier- und Formpresswerkzeug eine Heizvorrichtung umfassen, die eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Heizelementen aufweist, die in oder unter der Werkzeugoberfläche einer oder beider Werkzeughälften angeordnet sind, also in oder unter der durch die Stösselsegmente gebildeten Werkzeugoberfläche, respektive in den Stösselsegmenten. Bei der Ausführungsform mit einer segmentlosen Werkzeughälfte liegen die Heizelemente in oder unter der Werkzeugoberfläche der segmentlosen Werkzeughälfte und/oder auch in der mit den Stösselsegmenten ausgeführten Werkzeughälfte. Bei den Heizelementen kann es sich um Induktoren und/oder Hot Impingement-Düsen handeln. Infolge der Erwärmung des Bindermaterials im geschlossenen Werkzeug wird weitere Prozesszeit eingespart, wobei Drapierung, Binderaufschmelzen und Kompaktieren in einem übergangslosen Vorgang abfolgen und sich die Schritte zeitlich überlappen können.
Alternativ oder zusätzlich zu der die Heizelemente umfassenden Heizvorrichtung kann das Drapier- und Formpresswerkzeug eine Heizvorrichtung aufweisen, die zwischen den Werkzeughälften in koordinierter Bewegung mit den einzeln verfahrbaren Stösselsegmenten geradlinig verfahrbar ist. So kann das Bindermaterial in den Faserlagen aufgeschmolzen werden, unmittelbar bevor die Stösselsegmente zu den Faserlagen verfahren.
Um in Folge eine schnellere Abkühlung zur Konsolidierung zu erreichen, kann das Drapier- und Formpresswerkzeug eine Kühlvorrichtung umfassen, die Düsen, insbesondere Luftdüsen aufweist, die beispielsweise in einer Werkzeughälfte über deren Oberfläche verteilt oder seitlich angeordnet sein können.
Das Drapier- und Formpresswerkzeug kann ferner eine feste Arbeitsstation bilden oder auch als Abschnitt einer steuerbar beweglichen Robotereinrichtung an einem Roboterarm oder einer Roboterhand angeordnet werden.
Ist vorgesehen, dass das Drapier- und Formpresswerkzeug ferner auch als RTM-Werk- zeug dienen soll, um direkt nach der Fertigung der Preform in dem Drapier- und Formpresswerkzeug das FVK-Bauteil aus der Preform herzustellen, so kann das Drapier- und Formpresswerkzeug Einspritzmittel für ein matrixbildendes Kunststoff System umfassen. Weitere für den RTM-Prozess notwendige Einrichtungen wie Heizmittel zur Bereitstellung einer Aushärttemperatur des matrixbildenden Kunststoffsystems oder Mittel zum Ausüben eines Pressdrucks können zusätzlich integriert sein, es können aber auch die vorhandenen Heizvorrichtungen sowie die Stösselsegmente zur Bereitstellung der Aushärttemperatur und des Pressdrucks ausgelegt sein.
Für die Ausführungsform des Drapier- und Formpresswerkzeugs mit einer segmentlosen Werkzeughälfte kann vorgesehen sein, dass das Drapier- und Formpresswerkzeug eine Mehrzahl von ohne Segmentstössel ausgeführten unteren Werkzeughälften umfasst, die in das und aus dem Drapier- und Formpresswerkzeug verfahrbar sind. Die segmentlosen Werkzeughälften können ferner unterschiedliche formgebende Werkzeugoberflächen aufweisen, die jeweils in dem Drapier- und Formpresswerkzeug zur Herstellung unterschiedlich geformter Preformen bzw. FVK-Bauteilen eingesetzt werden können, indem die Stösselsegmente der oberen Werkzeughälfte jeweils entsprechend angesteuert werden, um in die der Werkzeugoberfläche der unteren Werkzeug hälfte korrespondierende Position zu verfahren.
Das flexible und adaptive Drapier- und Formpresswerkzeug kann zur Geometrieabbildung sowohl nur einer Positiv-Form, wenn lediglich eine Werkzeughälfte, insbesondere das Oberwerkzeug, die Stösselsegmente aufweist, als auch einer Positiv- und Negativ-Form, wenn beide Werkzeughälften Stösselsegmente aufweisen, genutzt werden. Schließlich kann es sich bei den Stösselsegmenten, die je nach Komplexität der auszubildenden Form auch unterschiedliche Breiten und/oder Tiefen aufweisen können, um hydraulisch, pneumatisch oder elektromotorisch bewegte Stösselsegmente handeln.
Das erfindungsgemäße Drapier- und Formpresswerkzeug lässt schnelle, flexible Geometrieänderungen der formgebenden Werkzeugoberfläche zu unter Verwendung der gleichen Stösselsegmente zu und ist daher ein Werkzeug für beliebige Geometrien des zu fertigenden Preforms beziehungsweise des daraus herzustellenden Faserkunststoffver- bundbauteils.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Gegenstand bezieht sich auf ein Verfahren zur Schaffung einer geformten und zumindest abschnittsweise konsolidierten Preform unter Verwendung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Drapier- und Formpresswerkzeugs. Das Verfahren umfasst zunächst den Schritt des Anordnens von Faserlagen wie Gelegen, Geweben, Matten, Vliese, Gestricke etc., die ein Bindermaterial, insbesondere in Pulverform umfassen, zwischen den Werkzeughälften in dem Drapier- und Formpresswerkzeug, von dessen zwei Werkzeughälften zumindest eine Werkzeughälfte hubbewegliche, einzeln ansteuerbare und einzeln verfahrbare Stösselsegmente umfasst. Sodann werden die Stösselsegmente angesteuert und lokal sukzessiv in Richtung der eingelegten Faserlagen verfahren, wobei die Faserlagen als Stapel mittels lokalen Andrückens durch die Stösselsegmente drapiert werden. Die Übernahme der Drapierungsarbeit durch die Stösselsegmente verkürzt die Prozesszeit, wobei hier gleichzeitig durch die lokale Steuerung des Andrückvorgangs eine besonders gute Drapierung erreicht wird.
So kann schon zu einem frühen Verfahrenszeitpunkt die Preform in ihrer geometrischen Darstellung erhalten werden, wobei die geometrisch bestimmte Ablage einzelner Verstärkungslagen im Werkzeug für definierte Krafteinleitungspfade sorgt. Durch wellenartiges oder lokal gesteuertes Andrücken mittels der sukzessiv verfahrenden Stösselsegmente wird der Drapiervorgang unterstützt.
Vor während oder nach dem Verfahren der Stösselsegmente wird/werden koordiniert dazu die Heizvorrichtung/en betätigt, so dass der Faserlagenstapel zumindest lokal erwärmt wird. Insbesondere kann der Faserlagenstapel quer zu einer Längserstreckung der Stösselsegmente und zwar der durch die Stösselsegmente durchgeführten Drapierbewegung folgend erwärmt werden. Das zumindest abschnittsweise Konsolidieren der Preform erfolgt sodann mit oder ohne zusätzliche Kühlung. Die lokale, punktuelle Erwärmung des drapierten Faserlagenstapels, z. B. durch Induktion oder Hot Air Impingement, führt zu örtlich stärkerer Konsolidierung der Preform, die zur Fixierung und für Handlingoperationen genutzt werden kann, etwa wenn die Preform in eine RTM-Form überführt wird. Flächige Erwärmung, beispielsweise ebenfalls durch Induktion oder Hot Air Impingement, führt zu flächiger Konsolidierung der Preform, die zur Fixierung und für Handlingoperationen, dann beispielsweise mittels Sauggreifern, genutzt werden kann.
Die erhaltene Preform kann dann zur Herstellung des Faserkunststoffverbundbauteils in ein RTM-Werkzeug überführt werden, in der sie mit einem matrixbildenden Kunststoff imprägniert wird, wonach die imprägnierte Preform unter definierten Bedingungen, die von der Art des verwendeten matrixbildenden Kunststoff Systems abhängen, ausgehärtet und so das Faserkunststoffverbundbauteil erhalten wird.
Alternativ kann in einer besonders werkzeugsparenden Ausführungsform ein Drapier- und Formpresswerkzeug verwendet werden, mit dem die Preform gefertigt wurde, indem das Drapier- und Formpresswerkzeug zusätzlich mit einer entsprechenden Einspritzvorrichtung für das matrixbildende Kunststoffsystem ausgestattet ist. Dann kann die Preform nach ihrer Fertigung in dem geschlossenen Drapier- und Formpresswerkzeug belassen werden und es kann das Injizieren des matrixbildenden Kunststoffsystems und damit das Imprägnieren der Preform mit dem matrixbildenden Kunststoffsystem in dem Drapier- und Formpresswerkzeug erfolgen. Dort werden dann auch für das jeweilige matrixbildende Kunststoffsystem erforderliche Aushärtbedingungen bereitgestellt, wobei es sich insbesondere um das Erwärmen der imprägnierten Preform auf eine Aushärttemperatur des matrixbildenden Kunststoffsystems, und zwar insbesondere unter Ausübung eines Pressdrucks durch die Stösselsegmente zumindest der einen Werkzeughälfte handelt. Nach dem aushärten Lassen kann das Faserkunststoffverbundbauteil entformt werden. Es ist dabei denkbar, dass die Endkontur des FVK-Bauteils von der des Preforms mehr oder minder stark abweichen soll. Dies kann dadurch erreicht werden, dass in der unteren Werkzeughälfte verfahrbare Schieber angeordnet sind, die beim Einspritzen der
Kunststoffmatrix eine Kavität freigeben. Es ist auch denkbar, anstelle der Schieber hubbeweglich verfahrbare Stösselsegmente vorzusehen. Mit Verfahren der Schieber bzw. der Stösselsegmente der unteren Werkzeughälfte und damit infolge der Bereitstellung von zusätzlichen Formräumen, die von der jeweiligen Kavität gebildet werden, ist es möglich, Änderungen der Bauteilkontur zu erzielen. In gleicher weise können auch die Stösselsegmente der oberen Werkzeughälfte unter Freilegung einer oberen Kavität erfahren werden und somit zur Änderung der Bauteilform beitragen. In besonders vorteilhafter Weise ist es mittels dieses Werkzeuges bzw. Verfahrens möglich, mit einem einzigen Werkzeug durch unterschiedliche Beaufschlagung der Schieber bzw. der Stösselsegmente völlig unterschiedliche FVK-Bauteilformen zu erzeugen ohne eine Umrüstaufwand zu betreiben.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenschnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Drapier- und Formpresswerkzeug, bei dem das Oberwerkzeug die Stösselsegmente aufweist,
Fig. 2 eine schematische Seitenschnittansicht durch ein weiteres erfindungsgemäßes
Drapier- und Formpresswerkzeug, bei dem beide Werkzeughälften die Stösselsegmente aufweisen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Faserkunststoffverbundbauteilen, insbesondere von Bauteilen aus einem Carbonfaserverbundkunststoff. Zur Beschleunigung des Herstellungsprozesses wird ein erfindungsgemäßes Drapier- und Formpresswerkzeug eingesetzt, das eine hohe Automatisierung und dadurch die Realisierung hoher Stückzahlen kosteneffektiv zulässt, wie sie beispielsweise in der Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen erforderlich sind. Ferner ist das Drapier- und Formpresswerkzeug universell einsetzbar, d.h. zur Herstellung einer Vielzahl verschiedener auch komplex dreidimensional geformter Preformen bzw. Bauteile.
Dazu wird mit dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Drapier- und Formpresswerkzeug ein segmentiertes Pressenwerkzeug bereitgestellt, wobei in Fig. 1 lediglich eine Werkzeughälfte 1 die hubbeweglichen, einzeln ansteuerbaren und einzeln verfahrbaren Stösselsegmente 3,3' aufweist, die zur Ausbildung der formgebenden Werkzeugoberfläche der Werkzeughälfte 1 , hier der positiven Form, angeordnet werden können, während das Unterwerkzeug 1 " massiv ausgeführt ist und die negative Form mit seiner Werkzeugoberfläche bereitstellt. In Fig. 2 weisen sowohl das Oberwerkzeug 1 als auch das Unterwerkzeug 1 ' die hubbeweglichen, einzeln ansteuerbaren und einzeln verfahrbaren Stösselseg- mente 3 auf, die dann jeweils zur Ausbildung der positiven und negativen formgebenden Werkzeugoberfläche anordenbar sind. Die Stösselsegmente 3,3' können vorzugsweise hydraulisch, pneumatisch oder elektromotorisch betätigt werden. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, können die Stösselsegmente 3,3' ferner unterschiedliche Breiten aufweisen, etwa um eine komplexe Form besser nachbilden zu können. So können breitere Stösselsegmente 3 in Bereichen vorgesehen sein, in denen die Form eben ist oder nur eine leichte Krümmung aufweist, während schmalere Segmente 3' an Stellen eingesetzt werden können, die einen komplexeren Formverlauf aufweisen.
In das Drapier- und Formpresswerkzeug werden textile Faserlagen wie multiaxiale Fasergelege, Verstärkungsgewebe, Gelege, Matten, Vliese, Gestricke etc, die ein vorzugsweise pulverförmiges Bindermaterial umfassen, zwischen die Werkzeughälften 1 ,1 ' eingebracht, woraufhin die Faserlagen als Stapel mittels lokalen Andrückens durch lokales sukzessives Zufahren der Stösselsegmente 3,3' drapiert werden.
Der Faserlagenstapel wird - der Drapierbewegung folgend, also in Querrichtung zur Längserstreckung der Stösselsegmente 3,3' - erwärmt, was eine optimale Drapierung erlaubt und keine Lagenverschiebung durch Scherungen aufgrund von bereits aufgeschmolzenem Bindermaterial zulässt. Wahlweise oder abhängig von der abzubildenden Form kann die Drapierbewegung von der Formmitte aus radial oder beidseitig nach außen oder von links nach rechts oder von rechts nach links erfolgen.
Durch die Erwärmung wird die Preform 2 zumindest lokal konsolidiert und kann dann, ohne ihre Form zu verlieren, dem Werkzeug entnommen und einem RTM-Werkzeug zugeführt werden, um in einem RTM-Prozess mit einem Harz imprägniert und ausgehärtet zu werden und so das Faserkunststoffverbundbauteil herzustellen.
Alternativ dazu kann die konsolidierte Preform 2 im gleichen Werkzeug dem RTM-Verfah- ren unterzogen werden, wobei hier das Unterwerkzeug 1' wie in Fig. 1 dargestellt, massiv ausgeführt sein sollte. Die Erwärmung im Drapier- und Formpresswerkzeug zur Konsolidierung der Preform 2 und gegebenenfalls zur Aushärtung des Faserkunststoffverbundbauteils, wenn der RTM- Schritt ebenfalls in dem Drapier- und Formpresswerkzeug durchgeführt wird, kann durch Heizelemente erfolgen, die beispielsweise im segmentlosen Unterwerkzeug 1 " angeordnet sein können. Die Heizelemente werden entsprechend der Drapierbewegung geschaltet. Alternativ können auch die Stösselsegmente 3,3' der anderen Werkzeughälfte 1 mit Heizmitteln ausgerüstet sein. Auch die Ausstattung beider Werkzeughälften 1 ,1 ' mit Heizelementen ist denkbar. Als einzeln schaltbare Heizelemente kommen insbesondere Induktoren zur Kontakterwärmung oder Hot Impingement-Düsen zur kontaktfreien Erwärmung in Frage, die dann entsprechend jeweils in oder unter der Werkzeugoberfläche der jeweiligen Werkzeughälfte, also gegebenenfalls in den Segmenten 3,3' erbaut sind.
Denkbar wäre auch eine Anordnung eines parallel zur Drapierbewegungsrichtung (in einer Werkzeuglängsrichtung) zwischen den Werkzeughälften über den Faserstapel geradlinig verfahrbaren Heizmittels.
Eine flächige Erwärmung kann insbesondere dort ausgeführt werden, wo keine Lagenverschiebungen der Faserlagen zu erwarten sind.
Die Kühlung zur Konsolidierung des Faserlagenstapels kann mittels Luftdurchströmung, vorzugsweise mittels Düsen erfolgen, welche über zumindest eine der Werkzeugoberflächen verteilt und/oder seitlich angeordnet sein können.
Denkbar ist auch, den erwärmten Faserlagenstapel bei der Konsolidierung zur Preform 2 einfach stehen zu lassen, bis er eine handhabbare Temperatur aufweist. Kühlvorrichtungen wie die Düsen beschleunigen jedoch demgegenüber den Herstellungsprozess.
In gleicher Weise wie die obere Werkzeughälfte 1 kann auch die untere Werkzeughälfte 1 ' segmentiert sein, wie in Fig. 2 dargestellt. Aufgrund der Segmentierung mit den verfahrbaren Stösselsegmenten 3,3' ist mit einem einzigen Werkzeug und sehr schnell jede denkbare 3D-Oberflächengeometrie bei der Ausbildung von flächigen FVK-Bauteilen erzielbar. Das Werkzeug kann in einer Arbeitsstation fest installiert sein oder auch Teil eines Roboterarms oder -hand sein. Die erfindungsgemäße Drapierung eines Faserlagenstapels kann deutlich schneller durchgeführt werden als die bekannten Prozesse der Einzellagendrapierung. Die Übernahme der Drapierungsarbeit durch die Stösselsegmente 3,3' verkürzt weiterhin die Prozesszeit, wobei hier durch die lokale Steuerung des Andrückvorgangs eine besonders gute Drapierung erreicht wird. Infolge der Erwärmung des Bindermaterials im geschlossenen Werkzeug wird weitere Prozesszeit eingespart. Hierbei können Drapierung, Binderaufschmelzen und Kompaktieren in einem übergangslosen Vorgang abfolgen, wobei sich die Schritte zeitlich überlappen können. Auch bei einer lokalen Erwärmung wird im Übrigen ebenfalls die Prozesszeit verkürzt.
Wenn der zur Herstellung des Faserkunststoffverbundbauteils anschließend durchzuführende RTM-Prozess im gleichen Drapier- und Formpresswerkzeug wie die Herstellung der Preform 2 erfolgt, wird die Anzahl der zur Ausbildung eines FVK-Bauteils erforderlichen Werkzeugkomponenten auf ein einziges Werkzeug minimiert, wobei hier das Drapier- und Formpresswerkzeug zusätzliche Vorrichtungen für das Imprägnieren und Aushärten im Werkzeug aufweist. Dabei handelt es sich insbesondere um eine (oder mehrere) Ein- spritzvorrichtung(en) für den matrixbildenden Kunststoff, beispielsweise ein Harzsystem. Weitere, zur Aushärtung notwendige Einrichtungen wie zur Temperierung und zur Druckbeaufschlagung können zusätzlich integriert sein, es können jedoch auch die Heizelemente, die zum Aufschmelzen des Bindermaterials zur Konsolidierung der Preform 2 derart ausgelegt und steuerbar sind, dass sie das Werkzeug, respektive die imprägnierte Preform 2 auf eine Aushärttemperatur des jeweiligen Kunststoffsystems erwärmen können. Ferner können die Stösselsegmente 3,3' und ihr Antrieb derart ausgelegt sein, dass sie den für die Aushärtung vorgesehenen Pressdruck ausüben können.
Mit dem in dem Drapier- und Formpresswerkzeug durchgeführten RTM-Prozess zur Herstellung des fertigen FVK-Bauteils wird auch die Herstellungszeit noch weiter optimiert. Vorzugsweise sollte dann das Unterwerkzeug 1' wie in Fig. 1 dargestellt, massiv, also nicht-segmentiert sein.
Um die Taktzeit weiter zu beschleunigen, können mehrere Unterwerkzeuge 1 ' bereitgestellt werden, die nach Bauteilherstellung aus dem Gesamtwerkzeug herausgefahren werden, so dass ein außerhalb des Drapier- und Formpresswerkzeug mit einem neuen Faserlagenstapel beschicktes Unterwerkzeug 1 ' eingefahren werden kann, während die ge- fertigte Preform 2 oder das FVK-Bauteil aus dem Drapier- und Formpresswerkzeug zur Entnahme ausgefahren wird.
Für ein Drapier- und Formpresswerkzeug, das lediglich eine segmentierte Werkzeughälfte 1 aufweist, kann ferner eine Vielzahl unterschiedlich geformter Unterwerkzeuge 1 ' vorgesehen sein, die die Herstellung verschiedener Preforms/Bauteile in einem Werkzeug gestatten, da sich die segmentierte Werkzeug hälfte durch die ansteuerbaren Stösselseg- mente in der Gestaltung ihrer formgebenden Werkzeugoberfläche variieren lässt.
Aufgrund der lokalen Andrückung des Faserlagenstapels ist eine spezielle Anordnung und Drapierung einer oder mehrerer an den Krafteinleitungspfaden des späteren Bauteils orientierten Faserlagen möglich, so dass ein auf den mechanischen Belastungsbedarf maßgeschneidertes FVK-Bauteil hergestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Drapier- und Formpresswerkzeug mit zwei Werkzeughälften (1 ,1 '), deren Oberflächen einander zugewandt sind, zur Fertigung einer zumindest abschnittsweise konsolidierten Preform (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine der Werkzeughälften (1 ,1 ') eine Mehrzahl hubbeweglicher, einzeln ansteuerbarer und einzeln, verfahrbarer Stösselsegmente (3,3') umfasst, die eine Werkzeugoberfläche der Werkzeughälfte (1 ,1 ') bilden und die vorzugsweise unterschiedliche Breiten und/oder Tiefen aufweisen und/oder hydraulisch, pneumatisch oder elektromotorisch betätigbar sind.
2. Drapier- und Formpresswerkzeug nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Werkzeughälfte (1 ), die die Stösselsegmente (3,3') umfasst, eine positiv formgebende Werkzeugoberfläche bereitstellt.
3. Drapier- und Formpresswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Drapier- und Formpresswerkzeug zumindest eine Heizvorrichtung aufweist, die eine Mehrzahl von einzeln ansteuerbaren Heizelementen, insbesondere Induktoren und/oder Hot Impingement-Düsen aufweist, wobei die Heizelemente in oder unter der Werkzeugoberfläche zumindest einer der Werkzeughälften (1 ,1') angeordnet und vorzugsweise in koordinierter Bewegung mit den einzeln verfahrbaren
Stösselsegmenten (3,3') geradlinig verfahrbar sind.
4. Drapier- und Formpresswerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das Drapier- und Formpresswerkzeug eine Kühlvorrichtung umfasst, die Düsen, insbesondere Luftdüsen aufweist.
5. Drapier- und Formpresswerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Drapier- und Formpresswerkzeug eine feste Arbeitsstation bildet oder als Abschnitt einer steuerbar beweglichen Robotereinrichtung anordenbar ist.
6. Drapier- und Formpresswerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das Drapier- und Formpresswerkzeug Einspritzmittel für ein matrixbildendes Kunststoffsystem umfasst.
7. Drapier- und Formpresswerkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das Drapier- und Formpresswerkzeug eine Mehrzahl von unteren Werkzeughälften (1 ") umfasst, die ohne Stösselsegmente (3,3') ausgeführt sind, wobei die Werkzeughälften (1')
- in das und aus dem Drapier- und Formpresswerkzeug verfahrbar sind, und/oder
- unterschiedliche formgebende Werkzeugoberflächen aufweisen,
gekennzeichnet, dass
8. Verfahren zur Schaffung einer geformten und zumindest abschnittsweise konsolidierten Preform (2) unter Verwendung eines Drapier- und Formpresswerkzeugs nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
umfassend die Schritte:
- Anordnen von ein Bindermaterial umfassenden Faserlagen zwischen den Werk- zeughälften (1 ,1') in dem Drapier- und Formpresswerkzeug, von dessen zwei Werkzeughälften (1 ,1') zumindest eine Werkzeughälfte (1,1') hubbewegliche, einzeln ansteuerbare und einzeln verfahrbare Stösselsegmente (3,3') umfasst,
- Ansteuern der Stösselsegmente (3,3') und lokales sukzessives Verfahren der Stösselsegmente (3,3') in Richtung der eingelegten Faserlagen und dabei Drapieren der Faserlagen als Stapel mittels lokalen Andrückens.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
umfassend die Schritte:
- Betätigen der zumindest einen Heizvorrichtung und koordiniert zu dem Verfahren der Stösselsegmente (3,3') zumindest lokal Erwärmen des Faserlagenstapels, insbesondere Erwärmen des Faserlagenstapels quer zu einer Längserstreckung der Stösselsegmente (3,3') der Drapierbewegung folgend,
- dabei zumindest abschnittsweise Konsolidieren der Preform (2) mit oder ohne Kühlung.
10. Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils aus einer Preform (2) unter Verwendung eines Drapier- und Formpresswerkzeugs nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7,
umfassend die Schritte:
- Fertigen der Preform (2) mit dem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 oder 9, dann
- Injizieren eines matrixbildenden Kunststoffsystems und Imprägnieren der im geschlossenen Drapier- und Formpresswerkzeug belassenen Preform (2) mit dem matrixbildenden Kunststoffsystem,
- Bereitstellen von Aushärtbedingungen für das matrixbildende Kunststoffsystem, insbesondere Erwärmen der imprägnierten Preform (2) auf eine Aushärttemperatur des matrixbildenden Kunststoffsystems, insbesondere unter Ausübung eines Pressdrucks durch die Stösselsegmente (3,3') zumindest der einen Werkzeughälfte (1 ,1 ') und
- Aushärten und Entformen des Faserkunststoffverbundbauteils.
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