EP3102393A1 - Tape-laying device and method for constructing a laminate - Google Patents

Tape-laying device and method for constructing a laminate

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Publication number
EP3102393A1
EP3102393A1 EP15702781.4A EP15702781A EP3102393A1 EP 3102393 A1 EP3102393 A1 EP 3102393A1 EP 15702781 A EP15702781 A EP 15702781A EP 3102393 A1 EP3102393 A1 EP 3102393A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tape
tapes
tape structure
binder
juxtaposed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15702781.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Graf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Original Assignee
Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau filed Critical Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Publication of EP3102393A1 publication Critical patent/EP3102393A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/0261Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould using ultrasonic or sonic vibrations
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28Shaping operations therefor
    • B29C70/30Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/386Automated tape laying [ATL]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28Shaping operations therefor
    • B29C70/30Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/386Automated tape laying [ATL]
    • B29C70/388Tape placement heads, e.g. component parts, details or accessories
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/20Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in a single direction, e.g. roofing or other parallel fibres

Definitions

  • the present invention relates to a tape laying apparatus and to a method of constructing and consolidating a laminate for, for example, automotive components by means of a tape laying apparatus, which comprises at least: a) a feeding device for supplying provided with binder and / or matrix materials to be deposited tape to a depositing device; b) a depositing device for depositing supplied tape; wherein juxtaposed tape defines a stack of a tape structure; and c) a controller for controlling the receipt of a consolidated laminate by: aa) a guide device for bringing tape to an excitation device or vice versa; bb) an excitation device for plasticizing the binder and / or matrix materials in joining zones of tape brought to the exciting device; and cc) a consolidation device for bringing together the plasticized binder and / or matrix materials in adjoining joining zones of superimposed tapes.
  • Fiber composite applications have continued to increase over the past decades, especially when viewed as a cost-effective alternative to metallic materials, with the benefits of design freedom and application-specific formulation capabilities.
  • the material CFK carbon fiber reinforced plastic
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the former usually include preform manufacturing units, press and optionally injection units and post-processing units - the latter the corresponding automation for preform handling, tool cleaning, component removal and the like.
  • the automatable production of the preform is definitely the key technology in the production process of continuous fiber reinforced fiber composite components for the realization of an efficient mass production with reproducible stable component quality.
  • hybrid components ie compression-molded sheets, which are primarily pressed with carbon fiber semi-finished products in order to additionally reinforce critical load zones, all production units must be able to be integrated in terms of plant and control technology if sufficient productivity is to be achieved.
  • textile fiber semi-finished products such as fiber yarns and / or fabrics impregnated with a binder (hotmelt adhesive) and / or partially or fully impregnated with a matrix (so-called prepregs) such as fiber fabrics, knit fabrics, Pads or mats used.
  • the matrix of fiber-reinforced plastics has the task of embedding the heavy-duty fibers (supporting function) and completely filling their intermediate space (blocking function).
  • binder materials and / or matrix materials can be used materials from the groups of thermoplastics or thermosets and optionally additional elasticizing components, such as elastomers, which in the strength, the maximum elongation, the operating temperature, the processing speed and the Distinguish chemical resistance.
  • Thermosetting molding compounds can be plasticized by the action of temperature, are malleable at this moment and then cure irreversibly under pressure and temperature.
  • the elastomers and thermosets also called thermosets
  • after processing d. H. in the ready-to-use state, of more or less strongly cross-linked macromolecules, which are generally neither fusible nor soluble.
  • blanks are produced in a cutting process, which usually line the formed component over its entire surface.
  • a cutting process which usually line the formed component over its entire surface.
  • continuous fiber-reinforced components can be produced substantially less waste or without wastage via processes that have become known as tape-laying methods.
  • thermoplastic continuous fiber tapes prove to be a very attractive process variant.
  • the laying of the fibrous composite materials, which are usually present as a tape, for constructing a laminate presents a special challenge.
  • tape in the context of the present invention is preferably meant any type of sheeted prepreg material, for example between 30 and 150 mm wide prepreg strip material, which is suitable for being laid down by means of a tape laying device.
  • prepreg material means, in particular, fiber yarns (rovings), fiber scrims and / or fiber webs which are wetted with a binder and / or partially or completely impregnated with a matrix, for example a thermoset matrix or thermoplastic matrix, in particular preimpregnated , are.
  • the “fibers” are in particular carbon fibers, but in the same way also for glass fibers or other, in particular artificially produced, fibers applicable.
  • the tape can be arranged on a carrier material, in particular a carrier film or a carrier paper, which dissolves during the laying of the tape for building the laminate from the carrier material, wherein the carrier material by means of a suitable device of the tape laying device eliminated, for example, wound.
  • a carrier material in particular a carrier film or a carrier paper, which dissolves during the laying of the tape for building the laminate from the carrier material, wherein the carrier material by means of a suitable device of the tape laying device eliminated, for example, wound.
  • tape to be deposited is pressed by means of a laying head, depending on the type of tape laying device used, for example via a shoe or a pinch roller on an already deposited tape structure with comparatively low, only local and very short-term pressure, so that the tape to be deposited successively, so only gradually or successively, with the already deposited tape structure is slightly glued or welded.
  • a suitable tackiness or weldability of the binder and / or matrix systems in the tape to be deposited or the already deposited tape structure is required.
  • the tackiness can be increased by moderate heating.
  • the above-described heating by means of a warm air flow has only low heat transfer properties and leads to low heating rates of the tap to be deposited, so that it is not possible to achieve desired deposition rates.
  • the use of hot air is not suitable for near-surface melting of tapes with a thermoplastic binder and / or matrix system.
  • thermoplastic tapes have been further developed, for example, in WO 2009/130087 A1, in order to be able to deposit thermoplastic tapes as well.
  • an excitation device is mounted on the laying head, which uses the ultrasound, the induction and / or the infrared, and which a tape to be deposited flying in the trigger, for. heated by a coil or roller, shortly before the deposition time locally across its thickness and then locally heated over its thickness tape then presses on a flexible laying roll on the already deposited tape structure flying on and so successively interconnected.
  • this laying process is also limited due to its only locally limited design in its laying speed and therefore not suitable in particular for a mass production application suitable for mass production.
  • EP 1 315 613 B1 discloses a method and equipment for producing advanced composite structures, comprising the steps: Applying and bonding a first group of fibers to a conveyor belt at a first angle, wherein a matrix material is bonded to the first group of fibers; Applying and bonding a second group of fibers to a conveyor belt at a second angle, wherein a matrix material is bonded to the second group of fibers; - wherein the first angle is not equal to the second angle, and - wherein the first group of fibers is applied intermittently, and - Wherein the second group of fibers is applied intermittently to provide cutouts in the composite part can.
  • the present invention seeks to provide an improved tape laying device or an improved method for building and consolidating a laminate for example, automotive components by means of a tape laying device, which or which avoids the disadvantages described above.
  • this object is achieved by a method for constructing a laminate having the features of patent claim 1 and by a tape laying device for carrying out a method for constructing a laminate having the features of patent claim 7.
  • the binder and / or matrix materials are successively plasticized and consolidated in all joining zones adjoining one another in the ultrasound excitation device Q of all juxtaposed and stacked layers and / or tapes of the tape structure, one can be previously laminated corresponding tapestry obtained from juxtaposed and stacked tape can advantageously be supplied to an ultrasonic excitation device as a whole.
  • the successive plasticizing of the binder and / or matrix materials occurs exclusively in the surfaces of the joining zones adjacent to juxtaposed and stacked layers and / or tapes of at least the lowest and uppermost stackings of the ultrasound -Anregungs worn brought-up cross-section Q of the tape structure.
  • binder and / or matrix materials at least in the side and surface facing away from the juxtaposed and stacked layers and / or tapes of at least lowermost and topmost stacking of the cross-section Q of the tape structure brought to the ultrasonic excitation means not via enamel - or flow temperature of the plastic matrix used can advantageously also large-scale tape structures or laminates of, for example 30 to 150 mm wide, tapes without unwanted flow and fiber shifts constructed and consolidated over its cross-section Q.
  • the limitation of undesired flow processes and / or fiber displacements can be increased if, in a preferred sequence of the process, the successive plasticization of the binder and / or matrix materials not only exclusively in the surfaces of adjacent and stacked piles and / or tapes adjacent Joining zones of at least the lowest and uppermost stacking of brought to the ultrasonic excitation device cross-section Q of the tape structure but also in all in between juxtaposed and stacked piles and / or tapes of Tape Modell done.
  • the successive plasticizing of the binder and / or matrix materials in stacking layers arranged between topmost and bottom stacking layers of the cross-section Q of the tape structure brought to the ultrasound exciter, exclusively in the surfaces of the adjoining joining zones and / or across their thickness.
  • the bottom and top layers of a previously deposited tape structure should never be plasticized over the thickness thereof in order not to jeopardize the dimensional stability of the laminate.
  • pre-fix the tape deposited on the uppermost stack of an already deposited tape structure with the uppermost stacking layer carrying this tape is provided.
  • a prefixing has a sufficient intrinsic stability of the deposited tape structure to the advantage, so that the tape structure as a whole also supplied outside the tape laying device arranged ultrasonic excitation and - as described above - can be plasticized and consolidated over its cross-section Q successively.
  • a sequence is preferred in which multiple tapes are simultaneously, i. especially at the same time and multi-lane, be handled.
  • Such a parallelization advantageously multiplies the number of laid tapes per cycle sequence corresponding to X (for the number of multi-track handled tapes).
  • the depositing device comprises a plurality of guide beams, which simultaneously retracts several tapes, ablnaturet and deposits, thereby advantageously simultaneous sequences are possible, which increases the laying speed noticeably.
  • the laying device and / or the laying beams and / or a laying table are designed to be displaceable sideways at least by the width of one or a group X, so that several tapes are drawn in at the same time in subsequent sequences. can be cut off and stored.
  • the consolidation device comprises a plurality of large-area ultrasonic excitation devices, which are preferably arranged continuously in a sealing bar device or a pair of rolling elements.
  • a welding bar device has the advantage that the deposited tape structure can remain on the laying table; the provision of a roller pair device has the advantage that the deposited tape structure with the beginning of their consolidation and the laying table for the construction and consolidation of a new laminate already begins to make free.
  • the sealing bar device is formed from a multiplicity of side-by-side sliding shoes, which in particular with regard to consolidation parameters are each designed separately by means of a separate control device or the control device.
  • Such a shoe which can be found in individual or cumulative features of its embodiment detached from the present invention application, is characterized in particular by a zone with short in movement or sliding direction contact length for coupling ultrasonic energy in the tape structure of tufts and / or tape and by a at least one side in the direction of movement or sliding G subsequent long zone for cooling the tape structure of tufts and / or tapes.
  • the contact force, the sliding speed and / or the ultrasound intensity can be controlled constant or variable by means of a separate control device or in particular as a function of the material properties and / or the temperature and / or thickness of an already deposited tape structure made of layers / or tapes, wherein in particular the surface pressure on the US-coupling zone and the subsequent cooling zone can be controlled differently sized.
  • a sliding shoe is preferred, which is equipped, for example, at its rear end with moving sensors, for example by means of preferably obliquely coupled ultrasound (transmitter and receiver) the consolidation of the tape structure checks for their quality and parameters of the controller for an adaptive control Consolidation, in particular by means of changing the US intensity and / or the speed and / or the contact force provides.
  • the present invention permits the construction and consolidation of a laminate with high lay rates and speed of interest for production applications.
  • the present invention is particularly suitable for industrial construction and consolidation of a laminate for, for example, automotive components, which are converted to the final component by a thermoforming process or in conjunction with a flowable fiber composite material in the extrusion or injection molding process.
  • FIGS. 12 to 21 show the individual method steps for constructing and consolidating a laminate by means of a multi-track tape dispensing device according to the invention
  • FIG. 22 shows a tape structure of a tape laying device according to the invention, made up of juxtaposed and stacked tape
  • FIG. 23 shows the consolidation of the tape structure from FIG. 22 by means of a welding bar device of a tape laying device according to the invention
  • FIG. 24 details of a sealing bar device of a tape laying device according to the invention formed from a plurality of variably controllable sliding shoes
  • FIG. FIG. 25 shows a sliding shoe from FIG. 24 in an enlarged side view
  • FIG. and Fig. 26 shows the consolidation of the tape structure of Fig. 22 by means of a pair of rolls of a tape laying apparatus according to the invention.
  • fiber tapes 93 which are first to be deposited by means of a feed device 10, are removed from a reel or reel 11, cut to the required length (see FIG positioned by means of this over the laying table 61 of a consolidation device 60.
  • Fig. 3 shows the depositing device 20 then moves to the width B of a tape 93 to the right and back to the feeder 10, and engages - as shown in Fig. 4 - from the local coil 11 a newly deposited tape 93 in order to already deposited tape 93 adjacent positioning on the laying table 61 ( Fig. 5 ).
  • the tape laying apparatus 1 shown in FIG. 6 improves the sequence described so far that this 1 provides a second feeder 10 in addition to roll 11 in the end area of the first tapes 93 to be deposited, so that the depositing apparatus 20 moves only laterally and already new tape 93 during the return stroke can take off.
  • each tape 93 is deposited until a first stacking layer 92 is deposited on the laying table 61 ( FIG. 7 ).
  • the latter 61 can be designed to be vacuumable (not shown).
  • a prefixing device 70 which dot-shaped ultrasonic welding heads 71 comprises for pre-fixing of stored tape 93 with the top stacking 92 an already deposited tape structure 91 by means of welds 72nd
  • the prefixing device 70 and / or its ultrasonic welding heads 71 can be part of the depositing device 20 (cf., previous figures ).
  • FIG. 9 shows the storage of further tapes 93 on the uppermost stacking layer 92 of an already laid down tapestry 91 analogously to FIGS. 3 to 5, that is to say without a second feed device 10 in the end region of deposited tapes 93;
  • FIG. 10 shows the deposit of further tapes 93 on the uppermost stacking 92 of an already deposited tapestry 91 analogous to FIG. 6, ie with a second feeder in the end region of deposited tapes 93 or stackings 92 formed therefrom .
  • FIG. 11 finally shows, comparable to that shown in FIG 7 shows the situation for two stacked layers 92 placed on one another.
  • FIGS. 12 to 21 show the individual method steps for constructing and consolidating a laminate 90 by means of a multi-track tape applicator 1 according to the invention, which is preferred given the required increase in laying rates.
  • the tape dispensing device 1 shown in FIGS. 12 to 21 has a multi-track feed device 10 and a multi-track dispenser 20.
  • FIGS. 13 to 20 now show the multi-track sequences analogous to FIGS. 2 to 11.
  • a first portion of a tape structure 91 is obtained in a single-lane (Fig. 1 to 11) or multi-lane (Figs. 12 to 20) sequence, as shown in Fig. 21, another 91 may be added to this first portion of a tape structure Sections of a tape structure 91 are created.
  • FIG. 22 shows a tape structure 91 deposited by means of a tape laying device 1 according to the invention from adjacent and successively deposited tape 93.
  • FIG. 23 shows the consolidation of the tape structure from FIG. 22 by means of a welding bar device 53 of a tape laying device 1 according to the invention.
  • a welding bar device 53 of a tape laying device 1 After completion of a single or multi-track laying process pre-fixed tape structures 91 are fed to a subsequent process.
  • the pre-fixed tapes 93 and / or stacking layers 92 of a deposited tape structure 91 are "clocked" stepwise under an ultrasonic welding bar device 53, which is equipped with a plurality of large-scale ultrasonic excitation devices 30, which are arranged in juxtaposed sliding shoes 80 and the tape structure 91 from stacking layers 92 and / or tapes 93 successively, largely over the entire surface, consolidated.
  • the necessary heat is achieved by a high-frequency mechanical vibration, which arises between the components by molecular and boundary surface friction.
  • the group of friction welding ultrasonic welding is characterized by very low welding times and high efficiency.
  • high-frequency alternating current is generated by means of a generator and transmitted via a shielded cable to an ultrasonic transducer, the so-called converter, which generates mechanical ultrasonic frequency therefrom with the aid of the piezoelectric or magnetostrictive effect.
  • These vibrations are transmitted to the sonotrode via an amplitude transformation piece.
  • sonotrodes which are usually made of steel, aluminum or titanium.
  • the amplitude of the oscillation and the impedance matching are influenced by the shape and mass of the amplitude transformation piece.
  • FIG. 24 shows details of a sealing bar device 54 of a tape dispensing device 1 according to the invention formed from a plurality of ultrasonically adjustable sliding shoes 80 which can be controlled in a variable manner. It can be seen that the plurality of side-by-side sliding shoes 80, in particular with regard to consolidation parameters, are each designed to be controllable separately by means of a separate or control device 30.
  • the lowermost and uppermost stacking layers 92 of a previously deposited tape structure 91 are never plasticized across their thickness in order not to jeopardize the dimensional accuracy of the laminate 90.
  • the joining parameters ie the binder and / or matrix materials
  • the joining parameters are preferably heated exclusively in all the contact surfaces 95 of two stacking layers 92 until they have been plasticized. If there is no joining zone 95 between two stacking layers 92, a connection remains (marked in FIGS. 23 and 26 as a contact clearance area 97).
  • the compounds that is, as far as possible full-surface bonding or welding due to plasticization of the binder and / or matrix materials in, for example, all surfaces 96 of tape 93 to be deposited with the binder and / or matrix materials in joining zones 95 of the uppermost Tapelage 92 an already deposited tape structure 91, arises such that the near-surface binder and / or matrix materials in the molten or flowable state of aggregation due to plasticization completely connect and ideally polymer chains are partially entwined and / or form covalent bonds.
  • FIG. 25 shows an ultrasonic sliding shoe 80 from FIG. 24 in an enlarged side view.
  • the illustrated shoe 80 which can be found in individual or cumulative features of its embodiment detached from the present invention application, is characterized in particular by a zone 81 in the movement or sliding direction G short contact length 83 for coupling ultrasonic energy into the tape structure 91 from Tapelagen 92 and / or tape 93 and by at least one side in the direction of movement or sliding G subsequent long zone 82 for cooling the tape structure 91 of Tapelagen 92 and / or tapes 93.
  • the contact surface 83 of the zone 81 of a shoe 80 for coupling of ultrasonic energy in the sliding direction G simply curved or circular segment-shaped, so that the contact surface 83 is greatly reduced almost to a linear blade ("similar to a circular segment-shaped blade").
  • the contact pressure, the sliding speed and / or the ultrasound intensity can be controlled constant or variable by means of a separate or control device 30, in particular depending on the material properties and / or the temperature and / or thickness of an already deposited tape structure 91 Tapelagen 92 and / or tapes 93, in particular, the surface pressure on the US-coupling zone 81 and the subsequent cooling zone 82 may be controlled differently sized.
  • an ultrasound gliding shoe 80 is preferred, which, for example, at its rear end, equipped with moving sensors (not shown), for example, by means of preferably obliquely coupled ultrasound (transmitter and receiver) checks the consolidation of the tape structure 91 on their quality and providing parameters to the controller 30 for adaptive control of the consolidation, such as, in particular, by changing the US intensity and / or the speed and / or the contact pressure.
  • FIG. 26 shows the consolidation of the tape structure from FIG. 22 by means of a roller pair device 54 of a tape laying device 1 according to the invention.
  • the use of an ultrasonically impinged pair of rollers is of particular interest in the manufacture of tailored blanks 91, in particular of constant thickness.
  • the pair of rollers can be arranged, for example, on one longitudinal side of the laying table 61 and thus alternatively to the previously described consolidation by means of a welding bar device 53 via individual arranged in the rollers of the roller pair means 54 ultrasonic excitation means 30 in the cycle, a - substantially full-surface - welding by means of a continuous pass the tapestry 91 from juxtaposed and stacked stacking layers 92 and / or tapes 93, in particular when deducted from the laying table 61, achieved by the ultrasonically impinged pair of rollers.
  • the binder and / or matrix materials are successively plasticized and consolidated in all the joining zones 95 adjoining each other in the cross-section Q brought to the ultrasound excitation device 50 and of all stacked layers 92 and / or tapes 93 of the tape structure 91 previously obtained to laminate 90, obtained from juxtaposed and stacked tape 93 tape structure 91 advantageously a total of an ultrasonic excitation device 50 are supplied.
  • tapes 93 are advantageously constructed with high laying rates and consolidated with an interesting speed for series-compatible applications.
  • the present invention permits the construction and consolidation of a laminate 90 at high lay rates and speed of interest for production applications.
  • the present invention is particularly useful for industrial construction and consolidation of a laminate 90 for, for example, automotive components that are formed into the final component by a thermoforming process or in conjunction with a flowable fiber composite material in the extrusion or injection molding process.

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Abstract

The invention relates to a method for constructing and consolidating a laminate (90) and to an associated tape-laying device (1). The inventive step for the method consists in carrying out the following steps: 1. feeding a tape (93) to be laid, which is provided with binder substances and/or matrix substances, to a laying device (20); 2. laying up the supplied tape (93) by means of the laying device (20) until a tape structure (91) which consists of adjacently-laid and superposed tape (93) and which corresponds to the laminate (90) is obtained; wherein adjacently-laid tape (93) defines a tape layer (92) of a tape structure (91); and 3. controlling the obtaining of a consolidated laminate (90) by: advancing a cross-section (Q) of the tape structure (91) consisting of adjacently-laid and superposed tape layers (92) and/or tape (93) towards an ultrasonic excitation system (30), or vice versa; successive plasticization of the binder and/or matrix substances in all joining zones (95) of all adjacently-laid and superposed tape layers (92) and/or tape (93) of the tape structure (91) that adjoin one another in the cross-section (Q) advanced towards the ultrasonic excitation system (30); and successive bringing together of the plasticized binder and/or matrix substances in all joining zones (95) of all adjacently-laid and superposed tape layers (92) and/or tape (93) of the tape structure (91) that adjoin one another in the cross-section (Q) advanced towards the ultrasonic excitation system (30);

Description

    TAPELEGEVORRICHTUNG SOWIE VERFAHREN ZUM AUFBAU EINES LAMINATSPAPER EQUIPMENT AND METHOD FOR CONSTRUCTING A LAMINATE
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tapelegevorrichtung sowie auf ein Verfahren zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile mittels einer Tapelegevorrichtung, welche wenigstens umfasst:
    a) eine Zuführeinrichtung für das Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape an eine Ablegeeinrichtung;
    b) eine Ablegeeinrichtung für das Ablegen von zugeführtem Tape; wobei nebeneinander abgelegtes Tape eine Tapelage einer Tapestruktur definiert; und
    c) eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Erhalts eines konsolidierten Laminats durch:
    aa) eine Führungseinrichtung für das Heranführen von Tape an eine Anregungseinrichtung oder umgekehrt;
    bb) eine Anregungseinrichtung für ein Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in Fügezonen von an die Anregungseinrichtung herangeführtem Tape; und
    cc) eine Konsolidierungseinrichtung für ein Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in aneinandergrenzenden Fügezonen aufeinander liegender Tapes.
    The present invention relates to a tape laying apparatus and to a method of constructing and consolidating a laminate for, for example, automotive components by means of a tape laying apparatus, which comprises at least:
    a) a feeding device for supplying provided with binder and / or matrix materials to be deposited tape to a depositing device;
    b) a depositing device for depositing supplied tape; wherein juxtaposed tape defines a stack of a tape structure; and
    c) a controller for controlling the receipt of a consolidated laminate by:
    aa) a guide device for bringing tape to an excitation device or vice versa;
    bb) an excitation device for plasticizing the binder and / or matrix materials in joining zones of tape brought to the exciting device; and
    cc) a consolidation device for bringing together the plasticized binder and / or matrix materials in adjoining joining zones of superimposed tapes.
  • Die Anwendungen für Faserverbundwerkstoffe sind über die vergangenen Jahrzehnte immer weiter gestiegen, insbesondere wenn sie als preiswerte Alternative zu den metallischen Werkstoffen gesehen werden konnten, mit den Vorteilen der Gestaltungsfreiheit und anwendungsspezifischer Formulierungsmöglichkeiten. Speziell der Werkstoff CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) hat ein extrem hohes Leichtbaupotential, wobei er sich zugleich durch seine hohe Festigkeit und sehr hohe Struktursteifigkeit auszeichnet. Letzteres ist beispielsweise im Automobilbau ein wichtiges Kriterium.Fiber composite applications have continued to increase over the past decades, especially when viewed as a cost-effective alternative to metallic materials, with the benefits of design freedom and application-specific formulation capabilities. Specifically, the material CFK (carbon fiber reinforced plastic) has an extremely high potential for lightweight construction, while being characterized by its high strength and very high structural rigidity. The latter is an important criterion in automotive engineering, for example.
  • Die heutigen Entwicklungstätigkeiten für Produktionsanlagen zur Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen reichen daher von reiner Maschinenentwicklung bis hin zu schlüsselfertigen Produktionssystemen. Erstere umfassen für gewöhnlich Preform-Herstelleinheiten, Press- und ggf. Injektionseinheiten sowie Nachbearbeitungseinheiten – letztere die entsprechende Automatisation für das Preform-Handling, die Werkzeugreinigung, die Bauteilentnahme und dergleichen mehr.Therefore, today's development activities for fiber composite processing equipment ranges from pure machine development to turnkey production systems. The former usually include preform manufacturing units, press and optionally injection units and post-processing units - the latter the corresponding automation for preform handling, tool cleaning, component removal and the like.
  • Die automatisierbare Herstellung der Preform ist definitiv die Schlüsseltechnologie im Herstellungsprozess von endlosfaserverstärkten Faserverbundbauteilen zur Realisierung einer effizienten Großserienfertigung mit reproduzierbarer stabiler Bauteilqualität. Aber auch bei sog. Hybridbauteilen, also formgepressten Blechen, die vornehmlich mit Carbonfaser Halbzeugen verpresst werden, um kritische Belastungszonen zusätzlich zu verstärken, müssen sich alle Produktions-Einheiten anlagen- und steuerungstechnisch integrieren lassen, wenn eine hinreichende Produktivität erreicht werden soll. The automatable production of the preform is definitely the key technology in the production process of continuous fiber reinforced fiber composite components for the realization of an efficient mass production with reproducible stable component quality. But even with so-called hybrid components, ie compression-molded sheets, which are primarily pressed with carbon fiber semi-finished products in order to additionally reinforce critical load zones, all production units must be able to be integrated in terms of plant and control technology if sufficient productivity is to be achieved.
  • Zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen werden heute überwiegend textile Faser-Halbzeuge wie mit einem Binder (Schmelzkleber) benetzte und/oder mit einer Matrix teilweise oder vollständig imprägnierte Faser-Garne und/oder Flächengebilde (sog. Prepregs) wie Faser-Gewebe, -Gestricke, -Gelege oder -Matten verwendet. Die Matrix von faserverstärkten Kunststoffen hat die Aufgabe, die hochbelastbaren Fasern einzubetten (Stützfunktion) und deren Zwischenraum vollständig auszufüllen (Sperrfunktion).For the production of continuous fiber reinforced components, predominantly textile fiber semi-finished products such as fiber yarns and / or fabrics impregnated with a binder (hotmelt adhesive) and / or partially or fully impregnated with a matrix (so-called prepregs) such as fiber fabrics, knit fabrics, Pads or mats used. The matrix of fiber-reinforced plastics has the task of embedding the heavy-duty fibers (supporting function) and completely filling their intermediate space (blocking function).
  • An Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen können grundsätzlich Materialien aus den Gruppen der Thermoplaste oder der Duroplaste und ggf. zusätzlicher elastifizierender Komponenten, wie Elastomere, eingesetzt werden, welche sich in der Festigkeit, der maximalen Dehnung, der Einsatztemperatur, der Verarbeitungsgeschwindigkeit und der Chemikalienbeständigkeit unterscheiden. Duroplastische Formmassen lassen sich durch Temperatureinwirkung plastifizieren, sind in diesem Moment formbar und härten dann irreversibel unter Druck und Temperatur aus. Im Gegensatz zu den Thermoplasten bestehen die Elastomere und Duroplaste (auch Duromere genannt) nach der Verarbeitung, d. h. im gebrauchsfertigen Zustand, aus mehr oder weniger stark vernetzten Makromolekülen, die in der Regel weder schmelzbar noch löslich sind.In principle binder materials and / or matrix materials can be used materials from the groups of thermoplastics or thermosets and optionally additional elasticizing components, such as elastomers, which in the strength, the maximum elongation, the operating temperature, the processing speed and the Distinguish chemical resistance. Thermosetting molding compounds can be plasticized by the action of temperature, are malleable at this moment and then cure irreversibly under pressure and temperature. In contrast to the thermoplastics, the elastomers and thermosets (also called thermosets) after processing, d. H. in the ready-to-use state, of more or less strongly cross-linked macromolecules, which are generally neither fusible nor soluble.
  • Aus diesen Halbzeugen, die als Rollen oder Plattenware in Standardformaten zur Verfügung stehen, werden in einem Schneidprozess, Zuschnitte erzeugt, die in der Regel das umgeformte Bauteil vollflächig auskleiden. Beim Schneiden der Zuschnitte entsteht, je nach Bauteilgeometrie ein signifikanter Schneidabfall, der nicht verarbeitet werden kann und die Effizienz dieses Prozesses erheblich verschlechtert.From these semi-finished products, which are available as rolls or sheets in standard formats, blanks are produced in a cutting process, which usually line the formed component over its entire surface. When cutting the blanks, depending on the component geometry, a significant cutting waste is generated that can not be processed and significantly reduces the efficiency of this process.
  • Zur Verbesserung der Ressourceneffizienz können endlosfaserverstärkte Bauteile über Faser- oder auch als Tape-Legeverfahren bekannt gewordene Verfahren wesentlich verschnittärmer bzw. verschnittfrei hergestellt werden. Speziell die Verwendung von thermoplastischen Endlosfaser Tapes erweisen sich als eine sehr attraktive Prozessvariante. Hierbei stellt insbesondere das Legen der für gewöhnlich als Tape vorliegenden Faserverbundwerkstoffe zum Aufbau eines Laminats eine besondere Herausforderung dar. To improve resource efficiency, continuous fiber-reinforced components can be produced substantially less waste or without wastage via processes that have become known as tape-laying methods. In particular, the use of thermoplastic continuous fiber tapes prove to be a very attractive process variant. In particular, the laying of the fibrous composite materials, which are usually present as a tape, for constructing a laminate presents a special challenge.
  • Mit einem „Tape“ ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise jegliche Art von bahnförmigem Prepregmaterial, beispielsweise zwischen 30 und 150 mm breites Prepreg-Streifenmaterial, gemeint, welches für ein Ablegen mittels einer Tapelegevorrichtung geeignet ist. Mit „Prepegmaterial“ sind vorliegend insbesondere Faser-Garne (Rovings), Faser-Gelege und/oder Faser-Gewebe gemeint, welche mit einem Binder benetzt und/oder mit einer Matrix, beispielsweise einer Duroplastmatrix oder Thermoplastmatrix, teilweise oder vollständig imprägniert, insbesondere vorimprägniert, sind. By "tape" in the context of the present invention is preferably meant any type of sheeted prepreg material, for example between 30 and 150 mm wide prepreg strip material, which is suitable for being laid down by means of a tape laying device. In the present case, "prepreg material" means, in particular, fiber yarns (rovings), fiber scrims and / or fiber webs which are wetted with a binder and / or partially or completely impregnated with a matrix, for example a thermoset matrix or thermoplastic matrix, in particular preimpregnated , are.
  • Bei den „Fasern“ handelt es sich insbesondere um Kohlenstofffasern, ist aber in gleicher Weise auch für Glasfasern oder andere, insbesondere künstlich hergestellte, Fasern anwendbar. The "fibers" are in particular carbon fibers, but in the same way also for glass fibers or other, in particular artificially produced, fibers applicable.
  • Das Tape kann auf einem Trägermaterial angeordnet sein, insbesondere einer Trägerfolie oder einem Trägerpapier, das während des Ablegens des Tapes zum Aufbau des Laminats sich von dem Trägermaterial löst, wobei das Trägermaterial mittels einer geeigneten Einrichtung der Tapelegevorrichtung beseitigt, beispielsweise aufgewickelt, wird. Bevorzugt können jedoch auch Tapes Verwendung finden, die keine Trägermaterialien mehr benötigen.The tape can be arranged on a carrier material, in particular a carrier film or a carrier paper, which dissolves during the laying of the tape for building the laminate from the carrier material, wherein the carrier material by means of a suitable device of the tape laying device eliminated, for example, wound. However, it is also preferable to use tapes which no longer require carrier materials.
  • Zur Verarbeitung von Tapes ist bekannt, diese von einer Spule oder Rolle abzuziehen, auf Länge zu schneiden und auf einen Legetisch bzw. einer bereits drauf sich befindenden gelegten Tapestruktur abzulegen. Mit dem Ablegen eines Tapestreifens wird dieser über eine Anzahl an Ultraschall-Schweißköpfen punktweise mit der darunter liegende Tapeschicht verbunden. Der Schweißpunkt hält hierbei immer nur die Trennfuge zwischen zwei übereinander liegenden Tapelagen zusammen. Die hierdurch komplex abgelegte Fasertapestruktur ist somit nur punktförmig miteinander verbunden. Der Zusammenhalt reicht aus, um die Tapestruktur vom Tisch aufzunehmen und, beispielsweise mit Saugergreifsystemen zu transportieren. Durch den losen Zusammenhalt ist es allerdings nicht möglich, die Tapestruktur homogen, z.B. in einem Infrarot-(IR)-Heizfeld zu erwärmen und zu einem Bauteil umzuformen. Die einzelnen Tapes lösen sich hierbei und sind nicht prozesssicher umzuformen.For the processing of tapes is known to deduct these from a spool or roll to cut to length and place on a laying table or already laid on it laid tape structure. When a tape strip is deposited, it is connected pointwise to the underlying tape layer via a number of ultrasonic welding heads. The weld always holds only the parting line between two stacking layers lying together. The fiber damper structure, which is deposited in a complex manner as a result, is thus connected to one another only at points. The cohesion is sufficient to pick up the tape structure from the table and, for example, to transport it with suction gripping systems. Due to the loose cohesion, however, it is not possible to use the tape structure homogeneously, e.g. in an infrared (IR) heating field to heat and transform into a component. The individual tapes dissolve in this case and can not be transformed reliably.
  • Bekannter Stand der Technik bei der Verarbeitung gelegter und punktförmig fixierter Tapestrukturen ist das Konsolidieren in einer Presse. Soweit es sich bei den Tapes um eine thermoplastische Kunststoffmatrix handelt, muss hierbei die gesamte Struktur zunächst auf Schmelz- bzw. Fließtemperatur aufgeheizt und anschließend unter flächigem Pressdruck wieder abgekühlt werden. Hierzu ist der Energieaufwand sehr hoch und macht dadurch das gesamte Verfahren unwirtschaftlich. Ferner kann es durch das vollständige Aufschmelzen der gesamten Struktur zu unerwünschten Fließvorgängen kommen, bei denen Material in der Pressebene nach außen gedrückt wird. Dies führt dann zu gravierenden Verschiebungen der Faserorientierung, die zu geringerer Bauteilfestigkeit führt.Known prior art in the processing of laid and punctiform fixed tape structures is consolidating in a press. As far as the tapes are a thermoplastic polymer matrix, in this case the entire structure first has to be heated to melting or flow temperature and then cooled again under surface pressure. For this purpose, the energy consumption is very high and thus makes the entire process uneconomical. Furthermore, the complete melting of the entire structure can lead to undesired flow processes in which material is pressed outward in the press plane. This then leads to serious shifts in the fiber orientation, which leads to lower component strength.
  • Zur Verarbeitung von Tape bzw. Durchführung eines Tape-Legeverfahrens werden daher heutzutage vielfach auch automatische Vorrichtungen eingesetzt, welche in der Lage sind, Tape strukturiert abzulegen. Bekannt sind insbesondere sog. Tapelegevorrichtungen, unter welchen vorliegend beispielsweise auch eine sog. Fibre-Placement-Vorrichtung zu verstehen ist.For the processing of tape or implementation of a tape-laying process, therefore, automatic devices are often used today, which are able to store tape structured. Known are in particular so-called. Tapelegevorrichtungen, which in this case, for example, a so-called. Fiber placement device is to be understood.
  • Während automatisierter Ablegeprozesse wird abzulegendes Tape mittels eines Legekopfes, je nach Typ der eingesetzten Tapelegevorrichtung beispielsweise über einen Gleitschuh oder eine Andruckrolle, auf eine bereits abgelegte Tapestruktur mit vergleichsweise geringem, lediglich lokalem und sehr kurzzeitigem Druck gepresst, so dass das abzulegende Tape sukzessive, also lediglich schrittweise bzw. aufeinander folgend, mit der bereits abgelegten Tapestruktur geringfügig verklebt bzw. verschweißt wird. Hierfür ist jedoch eine geeignete Klebrigkeit bzw. Schweißbarkeit der Binder- und/oder Matrixsysteme in dem abzulegenden Tape beziehungsweise der bereits abgelegten Tapestruktur erforderlich. During automated deposition processes tape to be deposited is pressed by means of a laying head, depending on the type of tape laying device used, for example via a shoe or a pinch roller on an already deposited tape structure with comparatively low, only local and very short-term pressure, so that the tape to be deposited successively, so only gradually or successively, with the already deposited tape structure is slightly glued or welded. For this purpose, however, a suitable tackiness or weldability of the binder and / or matrix systems in the tape to be deposited or the already deposited tape structure is required.
  • Bei der Verarbeitung von Tapes mit duromerem Binder- und/oder Matrix-System kann die Klebrigkeit durch moderates Erwärmen erhöht werden. So ist beispielsweise bekannt geworden, einen warmen Luftstrom an dem abzulegenden Tape vorbeizuführen, welcher eine Erwärmung des abzulegenden Tapes durch thermische Konvektion bewirkt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die vorstehend beschriebene Erwärmung mittels eines warmen Luftstroms nur geringe Wärmeübertragungseigenschaften besitzt und zu geringen Aufheizgeschwindigkeiten des abzulegenden Tapes führt, so dass sich daher nicht gewünschte Ablegegeschwindigkeiten erzielen lassen. Zudem ist zum oberflächennahen Aufschmelzen von Tapes mit thermoplastischem Binder- und/oder Matrix-System die Verwendung von Heißluft nicht geeignet. In the processing of tapes with duromeric binder and / or matrix system, the tackiness can be increased by moderate heating. Thus, it has become known, for example, to pass a warm air flow past the tape to be deposited, which causes heating of the tap to be deposited by thermal convection. However, it has been found that the above-described heating by means of a warm air flow has only low heat transfer properties and leads to low heating rates of the tap to be deposited, so that it is not possible to achieve desired deposition rates. In addition, the use of hot air is not suitable for near-surface melting of tapes with a thermoplastic binder and / or matrix system.
  • Diese Technik wurde beispielsweise in der WO 2009/130087 A1 weiterentwickelt, um damit bevorzugt auch thermoplastische Tapes ablegen zu können. Hierbei ist am Legekopf eine Anregungseinrichtung angebracht, die sich des Ultraschalls, der Induktion und/oder des Infrarots bedient, und welche ein abzulegendes Tape fliegend im Abzug, z.B. von einer Spule oder Rolle, kurz vor dem Ablegezeitpunkt lokal über seine Dicke hinweg erwärmt und das lokal über seine Dicke hinweg erwärmte Tape anschließend über eine flexible Legerolle auf die bereits abgelegte Tapestruktur fliegend aufpresst und so sukzessive miteinander verbunden.This technique has been further developed, for example, in WO 2009/130087 A1, in order to be able to deposit thermoplastic tapes as well. In this case, an excitation device is mounted on the laying head, which uses the ultrasound, the induction and / or the infrared, and which a tape to be deposited flying in the trigger, for. heated by a coil or roller, shortly before the deposition time locally across its thickness and then locally heated over its thickness tape then presses on a flexible laying roll on the already deposited tape structure flying on and so successively interconnected.
  • Auch dieser Legeprozess ist allerdings ebenfalls aufgrund seiner lediglich lokal begrenzt wirkenden Ausgestaltung in seiner Legegeschwindigkeit begrenzt und daher insbesondere für eine serientaugliche großflächige Anwendung nicht geeignet.However, this laying process is also limited due to its only locally limited design in its laying speed and therefore not suitable in particular for a mass production application suitable for mass production.
  • Zudem kann es bei der Konsolidierung großflächiger Anwendungen aufgrund von prozessbedingt über seine Dicke hinweg erwärmten Tapes zu unerwünschten Fließvorgängen und Faserverschiebungen sowohl im abzulegenden Tape als auch in der obersten Tapelage oder einer bereits abgelegten Tapestruktur kommen. Dies führt zu Eigenspannungen in der gesamten Tapestruktur, die zu Bauteilverzug und einer deutlichen Verschlechterung der physikalischen Bauteileigenschaften führen kann. In addition, in the consolidation of large-area applications due to process-related over its thickness heated tapes to undesirable flow processes and fiber shifts in both be deposited tape as well as in the top stacking or a previously deposited tape structure come. This leads to residual stresses in the entire tape structure, which can lead to component distortion and a significant deterioration in the physical component properties.
  • Schließlich sei auf die EP 1 315 613 B1 hingewiesen, welche ein Verfahren und Ausrüstung zur Herstellung fortschrittlicher Kompositstrukturen offenbart, umfassend die Schritte:
    - Auftragen und Verbinden einer ersten Gruppe von Fasern mit einem Fließband in einem ersten Winkel, wobei ein Matrixmaterial mit der ersten Gruppe von Fasern verbunden ist;
    - Auftragen und Verbinden einer zweiten Gruppe von Fasern mit einem Fließband in einem zweiten Winkel, wobei ein Matrixmaterial mit der zweiten Gruppe von Fasern verbunden ist;
    - wobei der erste Winkel ungleich dem zweiten Winkel ist, und
    - wobei die erste Gruppe der Fasern intermittierend aufgetragen wird, und
    - wobei auch die zweite Gruppe der Fasern intermittierend aufgetragen wird, um Ausschnitte im Verbundwerkstoff-Teil vorsehen zu können.
    Finally, reference is made to EP 1 315 613 B1, which discloses a method and equipment for producing advanced composite structures, comprising the steps:
    Applying and bonding a first group of fibers to a conveyor belt at a first angle, wherein a matrix material is bonded to the first group of fibers;
    Applying and bonding a second group of fibers to a conveyor belt at a second angle, wherein a matrix material is bonded to the second group of fibers;
    - wherein the first angle is not equal to the second angle, and
    - wherein the first group of fibers is applied intermittently, and
    - Wherein the second group of fibers is applied intermittently to provide cutouts in the composite part can.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Tapelegevorrichtung beziehungsweise ein verbessertes Verfahren zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile mittels einer Tapelegevorrichtung bereitzustellen, welche beziehungsweise welches die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeidet.On this basis, the present invention seeks to provide an improved tape laying device or an improved method for building and consolidating a laminate for example, automotive components by means of a tape laying device, which or which avoids the disadvantages described above.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Aufbau eines Laminats mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Tapelegevorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Aufbau eines Laminats mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.According to the invention, this object is achieved by a method for constructing a laminate having the features of patent claim 1 and by a tape laying device for carrying out a method for constructing a laminate having the features of patent claim 7.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile mittels einer Tapelegevorrichtung ist gekennzeichnet durch:
    a) ein Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape an eine Ablegeeinrichtung;
    b) ein Ablegen von zugeführtem Tape mittels der Ablegeeinrichtung bis zum Erhalt einer zum Laminat korrespondierenden Tapestruktur aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape; wobei nebeneinander abgelegtes Tape eine Tapelage einer Tapestruktur definiert; und
    c) ein Steuern des Erhalts eines konsolidierten Laminats durch:
    • ein Heranführen von einem Querschnitt Q der Tapestruktur aus neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung oder umgekehrt;
    • ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitt Q aneinandergrenzenden Fügezonen aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes der Tapestruktur; und
    • ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitt Q aneinandergrenzenden Fügezonen aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes der Tapestruktur.
    The method according to the invention for constructing and consolidating a laminate for, for example, automobile components by means of a tape laying device is characterized by:
    a) feeding to be deposited with provided binder and / or matrix materials tape to a depositing device;
    b) depositing of supplied tape by means of the depositing device until obtaining a tape structure corresponding to the laminate of juxtaposed and successively deposited tape; wherein juxtaposed tape defines a stack of a tape structure; and
    c) controlling the receipt of a consolidated laminate by:
    • an introduction of a cross-section Q of the tape structure of juxtaposed and stacked piles and / or tapes to an ultrasonic excitation device or vice versa;
    • a successive plasticizing of the binder and / or matrix materials in all joining zones Q adjacent to one another in the ultrasound excitation device and adjacent to one another and all of the adjacent layers and / or tapes of the tape structure; and
    • a successive bringing together of the plasticized binder and / or matrix materials in all joining zones, which are adjacent to each other in the cross-section Q brought to the ultrasound exciter, of all juxtaposed and stacked layers and / or tapes of the tape structure.
  • Indem erfindungsgemäß die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitt Q aneinander-grenzenden Fügezonen aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes der Tapestruktur sukzessive plastifiziert und konsolidiert werden, kann eine zuvor zum Laminat korrespondierende, aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape erhaltene Tapestruktur vorteilhaft insgesamt einer Ultraschall-Anregungseinrichtung zugeführt werden.In accordance with the invention, the binder and / or matrix materials are successively plasticized and consolidated in all joining zones adjoining one another in the ultrasound excitation device Q of all juxtaposed and stacked layers and / or tapes of the tape structure, one can be previously laminated corresponding tapestry obtained from juxtaposed and stacked tape can advantageously be supplied to an ultrasonic excitation device as a whole.
  • Indem eine zuvor zum Laminat korrespondierende, aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape erhaltene Tapestruktur insgesamt einer Ultraschall-Anregungseinrichtung zugeführt und sukzessive über ihren Querschnitt Q plastifiziert und konsolidiert wird, können auch großflächige Tapestrukturen beziehungsweise Laminate aus, vorzugsweise 30 bis 150 mm breiten, Tapes vorteilhaft mit hohen Legeraten aufgebaut und mit einer für serientaugliche Anwendungen interessanten Geschwindigkeit konsolidiert werden.By supplying a previously obtained to the laminate, obtained from juxtaposed and successive tape tape structure as a whole ultrasonic excitation and successively plasticized over their cross section Q and consolidated, also large-scale tape structures or laminates of, preferably 30 to 150 mm wide tapes can be advantageous are built with high lay rates and with an interesting speed for serial applications interesting.
  • Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments and developments, which can be used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.
  • So ist in einer Abfolge des Verfahrens bevorzugt, wenn das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen der an neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes angrenzenden Fügezonen von zumindest unterster und oberster Tapelage des an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitts Q der Tapestruktur erfolgt.Thus, in a sequence of the method, it is preferred if the successive plasticizing of the binder and / or matrix materials occurs exclusively in the surfaces of the joining zones adjacent to juxtaposed and stacked layers and / or tapes of at least the lowest and uppermost stackings of the ultrasound -Anregungseinrichtung brought-up cross-section Q of the tape structure.
  • Indem die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe zumindest in den jeweils den neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes abgewandten Seite bzw. Oberfläche von zumindest unterster und oberster Tapelage des an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitts Q der Tapestruktur nicht über Schmelz- bzw. Fließtemperatur der eingesetzten Kunststoffmatrix gebracht werden, können vorteilhaft auch großflächige Tapestrukturen beziehungsweise Laminate aus, z.B. 30 bis 150 mm breiten, Tapes ohne unerwünschte Fließvorgänge und Faserverschiebungen aufgebaut und über ihren Querschnitt Q konsolidiert werden.By the binder and / or matrix materials at least in the side and surface facing away from the juxtaposed and stacked layers and / or tapes of at least lowermost and topmost stacking of the cross-section Q of the tape structure brought to the ultrasonic excitation means not via enamel - or flow temperature of the plastic matrix used, can advantageously also large-scale tape structures or laminates of, for example 30 to 150 mm wide, tapes without unwanted flow and fiber shifts constructed and consolidated over its cross-section Q.
  • Die Begrenzung unerwünschter Fließvorgänge und/oder Faserverschiebungen kann erhöht werden, wenn in einer bevorzugten Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe nicht nur ausschließlich in den Oberflächen der an neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes angrenzenden Fügezonen von zumindest unterster und oberster Tapelage des an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitts Q der Tapestruktur sondern auch in allen dazwischen neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes der Tapestruktur erfolgt.The limitation of undesired flow processes and / or fiber displacements can be increased if, in a preferred sequence of the process, the successive plasticization of the binder and / or matrix materials not only exclusively in the surfaces of adjacent and stacked piles and / or tapes adjacent Joining zones of at least the lowest and uppermost stacking of brought to the ultrasonic excitation device cross-section Q of the tape structure but also in all in between juxtaposed and stacked piles and / or tapes of Tapestruktur done.
  • Alternativ oder kumulativ dazu kann je nach Grad erwünschter, nämlich im Rahmen der Konsolidierung einzelner Tapes und/oder Tapelagen, oder unerwünschter Fließvorgänge und/oder Faserverschiebungen einzelner Tapes und/oder Tapelagen innerhalb der Tapestruktur in einer bevorzugten Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in zwischen oberster und unterster Tapelage angeordneten Tapelagen des an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitts Q der Tapestruktur ausschließlich in den Oberflächen der aneinandergrenzenden Fügezonen und/oder über deren Dicke hinweg erfolgen. In jedem Fall sollte jedoch die unterste und oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur niemals über deren Dicke hinweg plastifiziert werden, um die Formtreue des Laminats nicht zu gefährden.Alternatively or cumulatively, depending on the degree desired, namely in the context of the consolidation of individual tapes and / or stackings, or undesired flow processes and / or fiber displacements of individual tapes and / or stackings within the tape structure in a preferred sequence of the process, the successive plasticizing of the binder and / or matrix materials in stacking layers arranged between topmost and bottom stacking layers of the cross-section Q of the tape structure brought to the ultrasound exciter, exclusively in the surfaces of the adjoining joining zones and / or across their thickness. In any case, however, the bottom and top layers of a previously deposited tape structure should never be plasticized over the thickness thereof in order not to jeopardize the dimensional stability of the laminate.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung einer Abfolge des Verfahrens ist vorgesehen, das auf die oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur abgelegte Tape mit der dieses Tape tragenden obersten Tapelage vorzufixieren. Zweckmäßiger Weise kann das Vorfixieren von abgelegtem Tape mit der obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur über ein punktförmiges Ultraschall-Verschweißen erfolgen, in welchem die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe im Tape bzw. der obersten Tapelage lokal zumindest aufgeschmolzen und durch anschließende Abkühlung miteinander fixiert werden. Ein Vorfixieren hat eine hinreichende Eigenstabilität der abgelegten Tapestruktur zum Vorteil, so dass die Tapestruktur insgesamt einer auch außerhalb der Tapelegevorrichtung angeordneten Ultraschall-Anregungseinrichtung zugeführt und – wie zuvor beschrieben – sukzessive über ihren Querschnitt Q plastifiziert und konsolidiert werden kann. In a preferred embodiment of a sequence of the method, it is provided to pre-fix the tape deposited on the uppermost stack of an already deposited tape structure with the uppermost stacking layer carrying this tape. Appropriately, the pre-fixing of stored tape with the topmost stack of an already deposited tape structure via a point-shaped ultrasonic welding done in which the binder and / or matrix materials in the tape or the topmost stack locally at least melted and by subsequent cooling each other be fixed. A prefixing has a sufficient intrinsic stability of the deposited tape structure to the advantage, so that the tape structure as a whole also supplied outside the tape laying device arranged ultrasonic excitation and - as described above - can be plasticized and consolidated over its cross-section Q successively.
  • Erfindungsgemäß bevorzugt ist zur Erhöhung der Lege- und Konsolidierungsrate eine Abfolge bevorzugt, bei welcher mehrere Tapes simultan, d.h. insbesondere zeitgleich und mehrspurig, gehandhabt werden. Durch eine solche Parallelisierung wird vorteilhaft die Anzahl gelegter Tapes pro Taktfolge entsprechend X (für die Anzahl mehrspurig gehandhabter Tapes) multipliziert.Preferably, in accordance with the present invention, to increase the layup and consolidation rate, a sequence is preferred in which multiple tapes are simultaneously, i. especially at the same time and multi-lane, be handled. Such a parallelization advantageously multiplies the number of laid tapes per cycle sequence corresponding to X (for the number of multi-track handled tapes).
  • Eine erfindungsgemäße Tapelegevorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile weist die zum Verfahren beschriebenen Vorteile auf und ist gekennzeichnet durch:
    a) eine Zuführeinrichtung für das Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape an eine Ablegeeinrichtung;
    b) eine Ablegeeinrichtung für das Ablegen von zugeführtem Tape bis zum Erhalt einer zum Laminat korrespondierenden Tapestruktur aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape; wobei nebeneinander abgelegtes Tape eine Tapelage einer Tapestruktur definiert; und
    c) eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Erhalts eines konsolidierten Laminats durch:
    • eine Führungseinrichtung für das Heranführen von einem Querschnitt Q der Tapestruktur aus neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung oder umgekehrt;
    • eine Ultraschall-Anregungseinrichtung für ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitt Q aneinandergrenzenden Fügezonen aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes der Tapestruktur; und
    • eine Konsolidierungseinrichtung für ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführten Querschnitt aneinandergrenzenden Fügezonen aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen und/oder Tapes der Tapestruktur.
    A tape laying device according to the invention for carrying out a method for constructing and consolidating a laminate for, for example, automotive components has the advantages described for the method and is characterized by:
    a) a feeding device for supplying provided with binder and / or matrix materials to be deposited tape to a depositing device;
    b) a depositing device for depositing supplied tape until a corresponding to the laminate tape structure of juxtaposed and stacked tape; wherein juxtaposed tape defines a stack of a tape structure; and
    c) a controller for controlling the receipt of a consolidated laminate by:
    • a guide device for bringing a cross-section Q of the tape structure from adjacent and stacked stack layers and / or tapes to an ultrasonic excitation device or vice versa;
    • an ultrasound excitation device for a successive plasticizing of the binder and / or matrix materials in all the joining zones of adjoining and stacked stack layers and / or tapes of the tape structure adjoining each other in the cross section Q brought to the ultrasound excitation device; and
    • a consolidation device for a successive bringing together of the plasticized binder and / or matrix materials in all brought in the ultrasound excitation device cross-section adjacent joint zones of all juxtaposed and stacked piles and / or tapes of the tape structure.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist vorgesehen, dass die Ablegeeinrichtung eine Vielzahl an Legebalken umfasst, welche zeitgleich mehrere Tapes einzieht, ablängt und ablegt, wodurch vorteilhaft simultane Abfolgen möglich werden, welche die Legegeschwindigkeit merklich erhöht.In a further embodiment of the tape laying device is provided that the depositing device comprises a plurality of guide beams, which simultaneously retracts several tapes, ablängt and deposits, thereby advantageously simultaneous sequences are possible, which increases the laying speed noticeably.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist vorgesehen, dass die Ablegeeinrichtung und/oder die Legebalken und/oder ein Legetisch wenigstens um die Breite eines oder einer Gruppe X abzulegender Tapes zur Seite verschiebbar ausgebildet sind, so dass in sich anschließenden Abfolgen zeitgleich mehrere Tapes eingezogen, ablängt und ablegt werden können.In a further embodiment of the tape-laying device, it is provided that the laying device and / or the laying beams and / or a laying table are designed to be displaceable sideways at least by the width of one or a group X, so that several tapes are drawn in at the same time in subsequent sequences. can be cut off and stored.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist vorgesehen, dass die Konsolidierungseinrichtung eine Vielzahl großflächiger Ultraschall-Anregungseinrichtungen umfasst, welche vorzugsweise durchgängig in einer Schweißbalkeneinrichtung oder einer Walzenpaareinrichtung angeordnet sind. Das Vorsehen einer Schweißbalkeneinrichtung hat zum Vorteil, dass die abgelegte Tapestruktur auf dem Legetisch verbleiben kann; das Vorsehen einer Walzenpaareinrichtung hat zum Vorteil, dass die abgelegte Tapestruktur mit Beginn ihrer Konsolidierung auch den Legetisch für den Aufbau und Konsolidieren eines neuen Laminats bereits beginnt frei zu machen.In a further embodiment of the tape-laying device, it is provided that the consolidation device comprises a plurality of large-area ultrasonic excitation devices, which are preferably arranged continuously in a sealing bar device or a pair of rolling elements. The provision of a welding bar device has the advantage that the deposited tape structure can remain on the laying table; the provision of a roller pair device has the advantage that the deposited tape structure with the beginning of their consolidation and the laying table for the construction and consolidation of a new laminate already begins to make free.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Schweißbalkeneinrichtung aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Gleitschuhe gebildet ist, welche insbesondere hinsichtlich Konsolidierungsparameter jeweils gesondert mittels einer gesonderten oder der Steuereinrichtung ansteuerbar ausgebildet sind.In a further preferred embodiment, it is provided that the sealing bar device is formed from a multiplicity of side-by-side sliding shoes, which in particular with regard to consolidation parameters are each designed separately by means of a separate control device or the control device.
  • Ein solcher Gleitschuh, welcher in einzelnen oder auch kumulativen Merkmalen seiner Ausgestaltung losgelöst von der vorliegenden Erfindung Anwendung finden kann, zeichnet sich insbesondere aus durch eine Zone mit in Bewegungs- oder Gleitrichtung G kurzer Kontaktlänge zum Einkoppeln von Ultraschall-Energie in die Tapestruktur aus Tapelagen und/oder Tape und durch eine sich wenigstens einseitig in Bewegungs- oder Gleitrichtung G anschließenden langen Zone zum Kühlen der Tapestruktur aus Tapelagen und/oder Tapes.Such a shoe, which can be found in individual or cumulative features of its embodiment detached from the present invention application, is characterized in particular by a zone with short in movement or sliding direction contact length for coupling ultrasonic energy in the tape structure of tufts and / or tape and by a at least one side in the direction of movement or sliding G subsequent long zone for cooling the tape structure of tufts and / or tapes.
  • Insbesondere hat sich bewährt, die Kontaktfläche der Zone eines Gleitschuhs zur Einkopplung von Ultraschall-Energie in Gleitrichtung G einfach gekrümmt oder kreissegmentförmig auszugestalten, so dass die Kontaktfläche stark nahezu auf eine linienförmigen Kufe (ähnlich einer kreissegmentförmigen Kufe) reduziert ist.In particular, it has proven useful to design the contact surface of the zone of a sliding shoe for coupling ultrasound energy in the sliding direction G simply curved or circular segment-shaped, so that the contact surface is greatly reduced almost to a linear blade (similar to a circular segment-shaped blade).
  • Alternativ oder kumulativ dazu kann mittels einer gesonderten oder der Steuereinrichtung die Anpresskraft, die Gleitgeschwindigkeit und/oder die Ultraschall-Intensität konstant oder variable gesteuert werden, insbesondere in Abhängigkeit der Materialeigenschaften und/oder der Temperatur und/oder Dicke einer bereits abgelegten Tapestruktur aus Tapelagen und/oder Tapes, wobei insbesondere die Flächenpressung auf der US-Einkopplungszone und der anschließenden Kühlzone unterschiedlich groß ausgesteuert sein können.Alternatively or cumulatively, the contact force, the sliding speed and / or the ultrasound intensity can be controlled constant or variable by means of a separate control device or in particular as a function of the material properties and / or the temperature and / or thickness of an already deposited tape structure made of layers / or tapes, wherein in particular the surface pressure on the US-coupling zone and the subsequent cooling zone can be controlled differently sized.
  • Schließlich ist in einer Weiterbildung ein Gleitschuh bevorzugt, welcher beispielsweise an seinem hinteren Ende, mit mitfahrenden Sensoren ausgestattet ist, die beispielsweise mittels vorzugsweise schräg eingekoppelten Ultraschall (Sender und Empfänger) die Konsolidierung der Tapestruktur auf Ihre Qualität prüft und Parameter der Steuereinrichtung für eine adaptive Regelung der Konsolidierung, wie insbesondere mittels Änderung der US-Intensität und/oder der Geschwindigkeit und/oder der Anpresskraft, bereitstellt.Finally, in a development, a sliding shoe is preferred, which is equipped, for example, at its rear end with moving sensors, for example by means of preferably obliquely coupled ultrasound (transmitter and receiver) the consolidation of the tape structure checks for their quality and parameters of the controller for an adaptive control Consolidation, in particular by means of changing the US intensity and / or the speed and / or the contact force provides.
  • Die vorliegende Erfindung gestattet vorteilhaft den Aufbau und das Konsolidieren eines Laminats mit hohen Legeraten und mit einer für serientaugliche Anwendungen interessanter Geschwindigkeit. Advantageously, the present invention permits the construction and consolidation of a laminate with high lay rates and speed of interest for production applications.
  • Soweit sie vorteilhaft den Aufbau wie auch das sukzessive Konsolidieren gelegter Tapestrukturen auf ein und demselben Legetisch belässt, ist ein Lösen einzelner Tapes oder Tapelagen in Folge von im Stand der Technik anzutreffender Trennung von Aufbau einerseits und Konsolidieren gelegter Tapestrukturen andererseits prozesssicher vermieden. Insofar as it advantageously leaves the structure as well as the successive consolidation of laid tape structures on one and the same laying table, a release of individual tapes or stackings as a result of encountered in the prior art separation of construction on the one hand and consolidating tape structures laid on the other hand is reliably avoided.
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum industriellen Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile, die über einen Thermoformprozess oder in Verbindung mit einem fließfähigen Faserverbundmaterials im Fließpress- oder Spritzgussprozess zum Endbauteil umgeformt werden. The present invention is particularly suitable for industrial construction and consolidation of a laminate for, for example, automotive components, which are converted to the final component by a thermoforming process or in conjunction with a flowable fiber composite material in the extrusion or injection molding process.
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele von Aufbau und Konsolidierung eines Laminats näher erläutert.These and other features and advantages of the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments of construction and consolidation of a laminate illustrated in the drawings.
  • Es zeigen schematisch:
    Fig. 1 bis 11 die einzelnen Verfahrensschritte zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats mittels einer einspurig arbeitenden Tapelegevorrichtung nach der Erfindung;
    Fig. 12 bis 21 die einzelnen Verfahrensschritte zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats mittels einer mehrspurig arbeitenden Tapelegevorrichtung nach der Erfindung;
    Fig. 22 eine mittels einer Tapelegevorrichtung nach der Erfindung abgelegten Tapestruktur aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape;
    Fig. 23 die Konsolidierung der Tapestruktur aus Fig. 22 mittels einer Schweißbalkeneinrichtung einer Tapelegevorrichtung nach der Erfindung;
    Fig. 24 Details einer aus mehreren variabel ansteuerbaren Gleitschuhen ausgebildeten Schweißbalkeneinrichtung einer Tapelegevorrichtung nach der Erfindung;
    Fig. 25 einen Gleitschuh aus Fig. 24 in einer vergrößerten Seitenansicht; und
    Fig. 26 die Konsolidierung der Tapestruktur aus Fig. 22 mittels einer Walzenpaareinrichtung einer Tapelegevorrichtung nach der Erfindung.
    They show schematically:
    Fig. 1 to 11, the individual process steps for building and consolidating a laminate by means of a single-track tape applicator device according to the invention;
    FIGS. 12 to 21 show the individual method steps for constructing and consolidating a laminate by means of a multi-track tape dispensing device according to the invention;
    FIG. 22 shows a tape structure of a tape laying device according to the invention, made up of juxtaposed and stacked tape; FIG.
    FIG. 23 shows the consolidation of the tape structure from FIG. 22 by means of a welding bar device of a tape laying device according to the invention;
    FIG. 24 details of a sealing bar device of a tape laying device according to the invention formed from a plurality of variably controllable sliding shoes; FIG.
    FIG. 25 shows a sliding shoe from FIG. 24 in an enlarged side view; FIG. and
    Fig. 26 shows the consolidation of the tape structure of Fig. 22 by means of a pair of rolls of a tape laying apparatus according to the invention.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.In the following description of preferred embodiments, like reference numerals designate like components.
  • Fig. 1 bis 11 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats 90 mittels einer einspurig arbeitenden Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung, welche gekennzeichnet ist durch:
    a) eine Zuführeinrichtung 10 für das Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape 93 an eine Ablegeeinrichtung 20;
    b) eine Ablegeeinrichtung 20 für das Ablegen von zugeführtem Tape 93 bis zum Erhalt einer zum Laminat 90 korrespondierenden Tapestruktur 91 aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape 93; wobei nebeneinander abgelegtes Tape 93 eine Tapelage 92 einer Tapestruktur 91 definiert; und
    c) eine Steuereinrichtung 30 zur Steuerung des Erhalts eines konsolidierten Laminats 90 durch:
    • eine Führungseinrichtung 40 für das Heranführen von einem Querschnitt (Q) der Tapestruktur 91 aus neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen 92 und/oder Tapes 93 an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 oder umgekehrt;
    • eine Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 für ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführten Querschnitt Q aneinandergrenzenden Fügezonen 95 aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen 92 und/oder Tapes 93 der Tapestruktur 91; und
    • eine Konsolidierungseinrichtung 60 für ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführten Querschnitt Q aneinandergrenzenden Fügezonen 95 aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen 92 und/oder Tapes 93 der Tapestruktur 91.
    1 to 11 show the individual method steps for constructing and consolidating a laminate 90 by means of a single-track tape applicator 1 according to the invention, which is characterized by:
    a) a feeder 10 for supplying provided with binder and / or matrix materials tape to be deposited 93 to a depositing device 20;
    b) a depositing device 20 for depositing supplied tape 93 until a tape structure 91 corresponding to the laminate 90 is obtained from juxtaposed and stacked tape 93; wherein juxtaposed tape 93 defines a stacking 92 of a tape structure 91; and
    c) a controller 30 for controlling the receipt of a consolidated laminate 90 by:
    • guide means 40 for guiding a cross-section (Q) of the tape structure 91 of juxtaposed and stacked stack layers 92 and / or tape 93 to an ultrasonic excitation device 50 or vice versa;
    • an ultrasound excitation device 50 for a successive plasticizing of the binder and / or matrix materials in all joining zones 95 adjoining one another in the cross section Q brought to the ultrasound excitation device 50 of all juxtaposed and stacked layers 92 and / or tapes 93 of the tape structure 91; and
    • a consolidation device 60 for a successive bringing together of the plasticized binder and / or matrix materials in all joined in the ultrasound excitation means 50 cross-section Q adjacent joining zones 95 all juxtaposed and stacked stacking layers 92 and / or tapes 93 of the tape structure 91st
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, wird also zum Aufbau eines Laminats 90 zunächst mittels einer Zuführeinrichtung 10 abzulegende Fasertapes 93 beispielsweise von einer Spule oder Rolle 11 abgezogen, auf die erforderliche Länge abgeschnitten (vgl. Fig. 2) und nach Zuführung an eine Ablegeeinrichtung 20 mittels dieser über den Legetisch 61 einer Konsolidierungseinrichtung 60 positioniert. Wie Fig. 3 zeigt fährt die Ablegeeinrichtung 20 sodann um die Breite B eines Tapes 93 nach rechts sowie zurück an die Zuführeinrichtung 10, und greift sich – wie in Fig. 4 gezeigt – von der dortigen Spule 11 ein neu abzulegendes Tape 93 zwecks zum bereits abgelegten Tape 93 benachbarten Positionierung auf dem Legetisch 61 (Fig. 5). 1 , for the construction of a laminate 90, fiber tapes 93, which are first to be deposited by means of a feed device 10, are removed from a reel or reel 11, cut to the required length (see FIG positioned by means of this over the laying table 61 of a consolidation device 60. As shown in Fig. 3 shows the depositing device 20 then moves to the width B of a tape 93 to the right and back to the feeder 10, and engages - as shown in Fig. 4 - from the local coil 11 a newly deposited tape 93 in order to already deposited tape 93 adjacent positioning on the laying table 61 ( Fig. 5 ).
  • Die in Fig. 6 dargestellte Tapelegevorrichtung 1 verbessert die bislang beschriebene Abfolge dahin gehend, dass diese 1 im Endbereich erster abzulegender Tapes 93 eine zweite Zuführeinrichtung 10 nebst Rolle 11 vorsieht, so dass die Ablegeeinrichtung 20 nur noch seitlich verfahren und beim Rückhub bereits neues Tape 93 ablegen kann.The tape laying apparatus 1 shown in FIG. 6 improves the sequence described so far that this 1 provides a second feeder 10 in addition to roll 11 in the end area of the first tapes 93 to be deposited, so that the depositing apparatus 20 moves only laterally and already new tape 93 during the return stroke can take off.
  • Diese Abfolge ist für ein jedes abzulegendes Tape 93 solange erforderlich, bis eine erste Tapelage 92 auf dem Legetisch 61 abgelegt ist (Fig. 7). Um die Tapes 93 der ersten Tapelage 92 auf dem Legetisch 61 hinreichend zu fixieren, kann dieser 61 vakuumierbar ausgebildet sein (nicht dargestellt).This sequence is necessary for each tape 93 to be deposited until a first stacking layer 92 is deposited on the laying table 61 ( FIG. 7 ). In order to adequately fix the tapes 93 of the first stacking layer 92 on the laying table 61, the latter 61 can be designed to be vacuumable (not shown).
  • Wie in Fig. 8 dargestellt, werden auf einer so gebildeten obersten Tapelage 92 einer abgelegten Tapestruktur 91 weitere Tapes 93 abgelegt und über punktförmiges Verschweißen mittels Ultraschall-Schweißköpfen 71 zueinander vorfixiert (Lage Fixierung), damit die Tapes 93 sich nach dem Positionieren und/oder erstem Andrücken nicht ungewollt verschieben bzw. durch Eigenspannungen hochstehen. Soweit also die Ablage von Tapes 93 auf der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 erfolgt, ist eine Vorfixier-Einrichtung 70 bevorzugt, welche punktförmige Ultraschall-Schweißköpfe 71 umfasst für das Vorfixieren von abgelegtem Tape 93 mit der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 mittels Schweißpunkten 72.As shown in FIG. 8 , further tapes 93 are deposited on a top stacking layer 92 thus formed 92 of a deposited tape structure and pre-fixed to each other via spot welding by means of ultrasonic welding heads 71 (position fixing), so that the tapes 93 after positioning and / or Do not move unintentionally first pressing or stand up by residual stresses. So far as the storage of tapes 93 on the top stacking 92 of an already deposited tape structure 91, a prefixing device 70 is preferred, which dot-shaped ultrasonic welding heads 71 comprises for pre-fixing of stored tape 93 with the top stacking 92 an already deposited tape structure 91 by means of welds 72nd
  • Um dabei den konstruktiven Aufwand der Vorrichtung 1 einfach zu halten, können die Vorfixier-Einrichtung 70 und/oder deren Ultraschall-Schweißköpfe 71 Teil der Ablegeeinrichtung 20 sein (vgl. bisherige Figuren).In order to keep the design effort of the device 1 simple, the prefixing device 70 and / or its ultrasonic welding heads 71 can be part of the depositing device 20 (cf., previous figures ).
  • Fig. 9 zeigt die Ablage weiterer Tapes 93 auf der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 analog Fig. 3 bis 5, also ohne einer zweiten Zuführeinrichtung 10 im Endbereich abgelegter Tapes 93; Fig. 10 zeigt die Ablage weiterer Tapes 93 auf der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 analog Fig. 6, also mit einer zweiten Zuführeinrichtung im Endbereich abgelegter Tapes 93 oder daraus gebildeter Tapelagen 92. Fig. 11 schließlich zeigt vergleichbar zu dem in Fig. 7 dargestellten Legezustand die Situation für zwei aufeinander abgelegte Tapelagen 92. 9 shows the storage of further tapes 93 on the uppermost stacking layer 92 of an already laid down tapestry 91 analogously to FIGS. 3 to 5, that is to say without a second feed device 10 in the end region of deposited tapes 93; FIG. 10 shows the deposit of further tapes 93 on the uppermost stacking 92 of an already deposited tapestry 91 analogous to FIG. 6, ie with a second feeder in the end region of deposited tapes 93 or stackings 92 formed therefrom . FIG. 11 finally shows, comparable to that shown in FIG 7 shows the situation for two stacked layers 92 placed on one another.
  • Fig. 12 bis 21 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats 90 mittels einer mehrspurig arbeitenden Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung, welche bei erforderlicher Steigerung von Legeraten bevorzugt ist. FIGS. 12 to 21 show the individual method steps for constructing and consolidating a laminate 90 by means of a multi-track tape applicator 1 according to the invention, which is preferred given the required increase in laying rates.
  • Im Unterscheid zu der in den Fig. 1 bis 11 dargestellten Tapelegevorrichtung 1 weist die in den Figuren 12 bis 21 dargestellte Tapelegevorrichtung 1 eine mehrspurig aufgebaute Zuführeinrichtung 10 sowie eine mehrspurig aufgebaute Ablegeeinrichtung 20 auf. In contrast to the tape dispensing device 1 shown in FIGS. 1 to 11, the tape dispensing device 1 shown in FIGS. 12 to 21 has a multi-track feed device 10 and a multi-track dispenser 20.
  • Die Fig. 13 bis 20 zeigen nun die mehrspurigen Abfolgen analog zu den Figuren 2 bis 11.FIGS. 13 to 20 now show the multi-track sequences analogous to FIGS. 2 to 11.
  • Unabhängig davon, ob ein erster Abschnitt einer Tapestruktur 91 in einer einspurigen (Fig. 1 bis 11) oder mehrspurigen (Fig. 12 bis 20) Abfolge erhalten ist, kann – wie in Fig. 21 dargestellt – an diesen ersten Abschnitt einer Tapestruktur 91 weitere Abschnitte einer Tapestruktur 91 angelegt werden.Regardless of whether a first portion of a tape structure 91 is obtained in a single-lane (Fig. 1 to 11) or multi-lane (Figs. 12 to 20) sequence, as shown in Fig. 21, another 91 may be added to this first portion of a tape structure Sections of a tape structure 91 are created.
  • Fig. 22 zeigt eine mittels einer Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung abgelegten Tapestruktur 91 aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape 93. FIG. 22 shows a tape structure 91 deposited by means of a tape laying device 1 according to the invention from adjacent and successively deposited tape 93.
  • Fig. 23 zeigt die Konsolidierung der Tapestruktur aus Fig. 22 mittels einer Schweißbalkeneinrichtung 53 einer Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung. Nach Abschluss eines einzeln oder mehrspurig durchgeführten Legevorgangs werden vorfixierte Tapestrukturen 91 einem Folgeprozess zugeführt. In diesem Folgeprozess werden die vorfixierten Tapes 93 und/oder Tapelagen 92 einer abgelegten Tapestruktur 91 schrittweise unter einer Ultraschall-Schweißbalkeneinrichtung 53 „durchgetaktet“, welche mit einer Vielzahl an großflächigen Ultraschall-Anregungseinrichtungen 30 ausgerüstet ist, die in nebeneinander angeordneten Gleitschuhen 80 angeordnet sind und die Tapestruktur 91 aus Tapelagen 92 und/oder Tapes 93 sukzessive, weitgehend vollflächig, konsolidiert. FIG. 23 shows the consolidation of the tape structure from FIG. 22 by means of a welding bar device 53 of a tape laying device 1 according to the invention. After completion of a single or multi-track laying process pre-fixed tape structures 91 are fed to a subsequent process. In this subsequent process, the pre-fixed tapes 93 and / or stacking layers 92 of a deposited tape structure 91 are "clocked" stepwise under an ultrasonic welding bar device 53, which is equipped with a plurality of large-scale ultrasonic excitation devices 30, which are arranged in juxtaposed sliding shoes 80 and the tape structure 91 from stacking layers 92 and / or tapes 93 successively, largely over the entire surface, consolidated.
  • Die nötige Wärme wird durch eine hochfrequente mechanische Schwingung erreicht, welche zwischen den Bauteilen durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht. The necessary heat is achieved by a high-frequency mechanical vibration, which arises between the components by molecular and boundary surface friction.
  • Das zur Gruppe der Reibschweißungen zählende Ultraschallschweißen ist durch sehr geringe Schweißzeiten und hohe Wirtschaftlichkeit gekennzeichnet. Für gewöhnlich wird dabei mit Hilfe eines Generators hochfrequenter Wechselstrom erzeugt und über ein geschirmtes Kabel zu einem Ultraschallwandler, dem sogenannten Konverter übertragen, der daraus mit Hilfe des piezoelektrischen oder des magnetostriktiven Effekts mechanische Ultraschallfrequenz erzeugt. Diese Schwingungen werden über ein Amplitudentransformationsstück auf die Sonotrode übertragen. Unterschiedliche Anwendungen erfordern unterschiedliche Bauformen von Sonotroden, die meist aus Stahl, Aluminium oder Titan hergestellt werden. Die Amplitude der Schwingung und die Impedanzanpassung werden durch die Form und Masse des Amplitudentransformationsstückes beeinflusst.The group of friction welding ultrasonic welding is characterized by very low welding times and high efficiency. Usually high-frequency alternating current is generated by means of a generator and transmitted via a shielded cable to an ultrasonic transducer, the so-called converter, which generates mechanical ultrasonic frequency therefrom with the aid of the piezoelectric or magnetostrictive effect. These vibrations are transmitted to the sonotrode via an amplitude transformation piece. Different applications require different designs of sonotrodes, which are usually made of steel, aluminum or titanium. The amplitude of the oscillation and the impedance matching are influenced by the shape and mass of the amplitude transformation piece.
  • Fig. 24 zeigt Details einer aus mehreren variabel ansteuerbaren Ultraschall-Gleitschuhen 80 ausgebildeten Schweißbalkeneinrichtung 54 einer Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung. Erkennbar ist, das die Vielzahl nebeneinander angeordneten Gleitschuhe 80 insbesondere hinsichtlich Konsolidierungsparameter jeweils gesondert mittels einer gesonderten oder der Steuereinrichtung 30 ansteuerbar ausgebildet sind. Je nach Grad erwünschter, nämlich im Rahmen der Konsolidierung einzelner Tapes 93 und/oder Tapelagen 92, oder unerwünschter Fließvorgänge und/oder Faserverschiebungen einzelner Tapes 93 und/oder Tapelagen 92 können so innerhalb der Tapestruktur 91 in einer bevorzugten Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in zwischen oberster und unterster Tapelage 92 angeordneten Tapelagen 92 des an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführten Querschnitts Q der Tapestruktur 91 ausschließlich in den Oberflächen 96 der aneinandergrenzenden Fügezonen 95 und/oder über deren Dicke hinweg erfolgen. In jedem Fall werden jedoch die unterste und oberste Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 niemals über deren Dicke hinweg plastifiziert, um die Formtreue des Laminats 90 nicht zu gefährden. FIG. 24 shows details of a sealing bar device 54 of a tape dispensing device 1 according to the invention formed from a plurality of ultrasonically adjustable sliding shoes 80 which can be controlled in a variable manner. It can be seen that the plurality of side-by-side sliding shoes 80, in particular with regard to consolidation parameters, are each designed to be controllable separately by means of a separate or control device 30. Depending on the degree desired, namely in the context of the consolidation of individual tapes 93 and / or stacking layers 92, or undesired flow processes and / or fiber displacements of individual tapes 93 and / or stacking layers 92 can within the tapestry 91 in a preferred sequence of the method, the successive plasticizing the Binder and / or matrix materials in between the top and bottom stacking 92 arranged stacking layers 92 of the brought to the ultrasonic exciter 50 cross-section Q of the tape structure 91 exclusively in the surfaces 96 of the adjoining joining zones 95 and / or across the thickness of time. In any case, however, the lowermost and uppermost stacking layers 92 of a previously deposited tape structure 91 are never plasticized across their thickness in order not to jeopardize the dimensional accuracy of the laminate 90.
  • Bei diesem als Konsolidierung bezeichneten Vorgang werden die Fügeparameter (also die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe) erfindungsgemäß bevorzugt ausschließlich in allen Kontaktoberflächen 95 zweier Tapelagen 92 bis zum Plastifizieren erhitzt. Fehlt es an einer Fügezone 95 zwischen zwei Tapelagen 92, bleibt eine Verbindung aus (in den Figuren 23 und 26 als Kontaktfreiflächen 97 gekennzeichnet). Die Verbindungen dagegen, also die, weit möglichst vollflächige, Verklebung bzw. Verschweißung infolge Plastifizierung der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in beispielsweise allen Oberflächen 96 von abzulegendem Tape 93 mit den Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen in Fügezonen 95 der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91, entsteht derart, dass die oberflächennahen Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe im schmelzflüssigen oder fließfähigen Aggregatszustand infolge Plastifizierung sich vollständig verbinden und idealerweise Polymerketten sich teilweise verschlaufen und/oder kovalente Bindungen bilden.In this process, referred to as consolidation, according to the invention, the joining parameters (ie the binder and / or matrix materials) are preferably heated exclusively in all the contact surfaces 95 of two stacking layers 92 until they have been plasticized. If there is no joining zone 95 between two stacking layers 92, a connection remains (marked in FIGS. 23 and 26 as a contact clearance area 97). On the other hand, the compounds, that is, as far as possible full-surface bonding or welding due to plasticization of the binder and / or matrix materials in, for example, all surfaces 96 of tape 93 to be deposited with the binder and / or matrix materials in joining zones 95 of the uppermost Tapelage 92 an already deposited tape structure 91, arises such that the near-surface binder and / or matrix materials in the molten or flowable state of aggregation due to plasticization completely connect and ideally polymer chains are partially entwined and / or form covalent bonds.
  • Fig. 25 zeigt einen Ultraschall-Gleitschuh 80 aus Fig. 24 in einer vergrößerten Seitenansicht. Der dargestellte Gleitschuh 80, welcher in einzelnen oder auch kumulativen Merkmalen seiner Ausgestaltung losgelöst von der vorliegenden Erfindung Anwendung finden kann, zeichnet sich insbesondere aus durch eine Zone 81 mit in Bewegungs- oder Gleitrichtung G kurzer Kontaktlänge 83 zum Einkoppeln von Ultraschall-Energie in die Tapestruktur 91 aus Tapelagen 92 und/oder Tape 93 und durch eine sich wenigstens einseitig in Bewegungs- oder Gleitrichtung G anschließenden langen Zone 82 zum Kühlen der Tapestruktur 91 aus Tapelagen 92 und/oder Tapes 93. Dabei hat sich insbesondere bewährt, die Kontaktfläche 83 der Zone 81 eines Gleitschuhs 80 zur Einkopplung von Ultraschall-Energie in Gleitrichtung G einfach gekrümmt oder kreissegmentförmig auszugestalten, so dass die Kontaktfläche 83 stark nahezu auf eine linienförmigen Kufe („ähnlich einer kreissegmentförmigen Kufe“) reduziert ist. Alternativ oder kumulativ dazu kann mittels einer gesonderten oder der Steuereinrichtung 30 die Anpresskraft, die Gleitgeschwindigkeit und/oder die Ultraschall-Intensität konstant oder variable gesteuert werden, insbesondere in Abhängigkeit der Materialeigenschaften und/oder der Temperatur und/oder Dicke einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 aus Tapelagen 92 und/oder Tapes 93, wobei insbesondere die Flächenpressung auf der US-Einkopplungszone 81 und der anschließenden Kühlzone 82 unterschiedlich groß ausgesteuert sein können. Schließlich ist in einer Weiterbildung ein Ultraschall-Gleitschuh 80 bevorzugt, welcher beispielsweise an seinem hinteren Ende, mit mitfahrenden Sensoren (nicht dargestellt) ausgestattet ist, die beispielsweise mittels vorzugsweise schräg eingekoppelten Ultraschall (Sender und Empfänger) die Konsolidierung der Tapestruktur 91 auf Ihre Qualität prüft und Parameter der Steuereinrichtung 30 für eine adaptive Regelung der Konsolidierung, wie insbesondere mittels Änderung der US-Intensität und/oder der Geschwindigkeit und/oder der Anpresskraft, bereitstellt. FIG. 25 shows an ultrasonic sliding shoe 80 from FIG. 24 in an enlarged side view. The illustrated shoe 80, which can be found in individual or cumulative features of its embodiment detached from the present invention application, is characterized in particular by a zone 81 in the movement or sliding direction G short contact length 83 for coupling ultrasonic energy into the tape structure 91 from Tapelagen 92 and / or tape 93 and by at least one side in the direction of movement or sliding G subsequent long zone 82 for cooling the tape structure 91 of Tapelagen 92 and / or tapes 93. It has proven particularly useful, the contact surface 83 of the zone 81 of a shoe 80 for coupling of ultrasonic energy in the sliding direction G simply curved or circular segment-shaped, so that the contact surface 83 is greatly reduced almost to a linear blade ("similar to a circular segment-shaped blade"). Alternatively or cumulatively, the contact pressure, the sliding speed and / or the ultrasound intensity can be controlled constant or variable by means of a separate or control device 30, in particular depending on the material properties and / or the temperature and / or thickness of an already deposited tape structure 91 Tapelagen 92 and / or tapes 93, in particular, the surface pressure on the US-coupling zone 81 and the subsequent cooling zone 82 may be controlled differently sized. Finally, in an embodiment, an ultrasound gliding shoe 80 is preferred, which, for example, at its rear end, equipped with moving sensors (not shown), for example, by means of preferably obliquely coupled ultrasound (transmitter and receiver) checks the consolidation of the tape structure 91 on their quality and providing parameters to the controller 30 for adaptive control of the consolidation, such as, in particular, by changing the US intensity and / or the speed and / or the contact pressure.
  • Fig. 26 schließlich zeigt die Konsolidierung der Tapestruktur aus Fig. 22 mittels einer Walzenpaareinrichtung 54 einer Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung. Der Einsatz eines Ultraschall-beaufschlagtes Walzenpaars ist insbesondere bei der Herstellung von Tapestrukturen (Tailored Blanks) 91 mit insbesondere konstanter Dicke von Interesse. Das Walzenpaar kann beispielsweise an einer Längsseite des Legetisches 61 angeordnet sein und so alternativ zu der zuvor beschriebenen Konsolidierung mittels einer Schweißbalkeneinrichtung 53 über einzelne in den Walzen der Walzenpaareinrichtung 54 angeordneten Ultraschall-Anregungseinrichtungen 30 im Taktverfahren, ein – weitgehend vollflächiges – Verschweißen mittels einen kontinuierlichen Durchlaufs der Tapestruktur 91 aus neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen 92 und/oder Tapes 93, insbesondere beim Abzug vom Legetisch 61, durch das Ultraschall-beaufschlagtes Walzenpaar erzielen. Finally, FIG. 26 shows the consolidation of the tape structure from FIG. 22 by means of a roller pair device 54 of a tape laying device 1 according to the invention. The use of an ultrasonically impinged pair of rollers is of particular interest in the manufacture of tailored blanks 91, in particular of constant thickness. The pair of rollers can be arranged, for example, on one longitudinal side of the laying table 61 and thus alternatively to the previously described consolidation by means of a welding bar device 53 via individual arranged in the rollers of the roller pair means 54 ultrasonic excitation means 30 in the cycle, a - substantially full-surface - welding by means of a continuous pass the tapestry 91 from juxtaposed and stacked stacking layers 92 and / or tapes 93, in particular when deducted from the laying table 61, achieved by the ultrasonically impinged pair of rollers.
  • Indem erfindungsgemäß die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführten Querschnitt Q aneinandergrenzenden Fügezonen 95 aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen 92 und/oder Tapes 93 der Tapestruktur 91 sukzessive plastifiziert und konsolidiert werden, kann eine zuvor zum Laminat 90 korrespondierende, aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape 93 erhaltene Tapestruktur 91 vorteilhaft insgesamt einer Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 zugeführt werden.By according to the invention, the binder and / or matrix materials are successively plasticized and consolidated in all the joining zones 95 adjoining each other in the cross-section Q brought to the ultrasound excitation device 50 and of all stacked layers 92 and / or tapes 93 of the tape structure 91 previously obtained to laminate 90, obtained from juxtaposed and stacked tape 93 tape structure 91 advantageously a total of an ultrasonic excitation device 50 are supplied.
  • Indem eine zuvor zum Laminat 90 korrespondierende, aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape 93 erhaltene Tapestruktur 91 insgesamt einer Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 zugeführt und sukzessive über ihren Querschnitt Q plastifiziert und konsolidiert wird, können auch großflächige Tapestrukturen 91 beziehungsweise Laminate 90 aus, vorzugsweise 30 bis 150 mm breiten, Tapes 93 vorteilhaft mit hohen Legeraten aufgebaut und mit einer für serientaugliche Anwendungen interessanten Geschwindigkeit konsolidiert werden.By supplying a tape structure 91 corresponding to the laminate 90 and obtained from juxtaposed and stacked tape 93 as a whole to an ultrasonic excitation device 50 and successively plastifying and consolidating over its cross-section Q, large-area tape structures 91 or laminates 90, preferably 30 to 150 mm wide, tapes 93 are advantageously constructed with high laying rates and consolidated with an interesting speed for series-compatible applications.
  • Die vorliegende Erfindung gestattet vorteilhaft den Aufbau und das Konsolidieren eines Laminats 90 mit hohen Legeraten und mit einer für serientaugliche Anwendungen interessanter Geschwindigkeit. Advantageously, the present invention permits the construction and consolidation of a laminate 90 at high lay rates and speed of interest for production applications.
  • Soweit sie vorteilhaft den Aufbau wie auch das sukzessive Konsolidieren gelegter Tapestrukturen 91 auf ein und demselben Legetisch 61 belässt, ist ein Lösen einzelner Tapes 93 oder Tapelagen 92 in Folge von im Stand der Technik anzutreffender Trennung von Aufbau einerseits und Konsolidieren gelegter Tapestrukturen 91 andererseits prozesssicher vermieden. Insofar as it advantageously leaves the structure as well as the successive consolidation of laid tape structures 91 on one and the same laying table 61, detachment of individual tapes 93 or stackings 92 as a result of separation of structure on the one hand and consolidation of laid tape structures 91 on the other hand is reliably avoided ,
  • Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum industriellen Aufbau und Konsolidieren eines Laminats 90 für beispielsweise Automobilbauteile, die über einen Thermoformprozess oder in Verbindung mit einem fließfähigen Faserverbundmaterials im Fließpress- oder Spritzgussprozess zum Endbauteil umgeformt werden.The present invention is particularly useful for industrial construction and consolidation of a laminate 90 for, for example, automotive components that are formed into the final component by a thermoforming process or in conjunction with a flowable fiber composite material in the extrusion or injection molding process.
  • Bezugszeichenliste:
    1 Tapelegevorrichtung
    10 Zuführeinrichtung
    11 Spule, Rolle
    20 Ablegeeinrichtung
    30 Steuereinrichtung
    40 Führungseinrichtung
    50 Anregungseinrichtung
    53 Schweißbalkeneinrichtung
    54 Walzenpaareinrichtung
    60 Konsolidierungseinrichtung
    61 Legetisch
    70 Vorfixier-Einrichtung
    71 Ultraschall-Schweißkopf
    72 Schweißpunkt
    80 Gleitschuh
    81 Einkopplungszone des Gleitschuhs 80
    82 Kühlzone des Gleitschuhs 80
    83 Kontaktfläche der Einkoppelzone 81
    90 Laminat
    91 Tapestruktur
    92 Tapelage
    93 Tape
    95 Fügezonen
    96 Oberfläche der Fügezonen
    97 Flächenabschnitten
    Q Querschnitt
    B Breite eines Tapes 93
    X Anzahl mehrspurig gehandhabter Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, …
    G Gleitrichtung
    LIST OF REFERENCE NUMBERS
    1 tape device
    10 feeder
    11 bobbin, roll
    20 depositing device
    30 control device
    40 guide device
    50 excitation device
    53 Welding bar device
    54 roller pair device
    60 consolidation facility
    61 Legetisch
    70 prefixing device
    71 Ultrasonic welding head
    72 spot weld
    80 sliding shoe
    81 Einkopplungszone of the sliding block 80th
    82 cooling zone of the sliding block 80
    83 contact surface of the coupling zone 81
    90 laminate
    91 Tapestruktur
    92 stacking
    93 tape
    95 joining zones
    96 Surface of the joining zones
    97 area sections
    Q cross section
    B width of a tape 93
    X Number of multi-track tapes 93a, 93b, 93c, 93d, ...
    G sliding direction

Claims (15)

  1. Verfahren zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats (90) für beispielsweise Automobilbauteile mittels einer Tapelegevorrichtung (1), gekennzeichnet durch: Method for constructing and consolidating a laminate (90) for, for example, automobile components by means of a tape laying device (1), characterized by:
    a) ein Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape (93) an eine Ablegeeinrichtung (20);a) feeding to be deposited with binder and / or matrix materials to be deposited tape (93) to a depositing device (20);
    b) ein Ablegen von zugeführtem Tape (93) mittels der Ablegeeinrichtung (20) bis zum Erhalt einer zum Laminat (90) korrespondierenden Tapestruktur (91) aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape (93); wobei nebeneinander abgelegtes Tape (93) eine Tapelage (92) einer Tapestruktur (91) definiert; und c) ein Steuern des Erhalts eines konsolidierten Laminats (90) durch:b) depositing supplied tape (93) by means of the depositing device (20) until a tape structure (91) corresponding to the laminate (90) is obtained from tape (93) deposited next to and on top of one another; wherein juxtaposed tape (93) defines a stacking (92) of a tape structure (91); and c) controlling the receipt of a consolidated laminate (90) by:
    - ein Heranführen von einem Querschnitt (Q) der Tapestruktur (91) aus neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen (92) und/oder Tapes (93) an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) oder umgekehrt;- An approach of a cross section (Q) of the tape structure (91) of juxtaposed and stacked stacking layers (92) and / or tapes (93) to an ultrasonic excitation means (30) or vice versa;
    - ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) herangeführten Querschnitt (Q) aneinandergrenzenden Fügezonen (95) aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen (92) und/oder Tapes (93) der Tapestruktur (91); unda successive plasticizing of the binder and / or matrix materials in all the cross-section (Q) brought to the ultrasound excitation device (30) adjoining joining zones (95) of all juxtaposed and stacked stacking layers (92) and / or tapes (93 ) the tape structure (91); and
    - ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) herangeführten Querschnitt (Q) aneinandergrenzenden Fügezonen (95) aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen (92) und/oder Tapes (93) der Tapestruktur (91).a successive bringing together of the plasticized binder and / or matrix materials in all joining zones (95) adjoining each other in the cross-section (Q) brought to the ultrasonic excitation device (30) of all stacked layers (92) and / or tapes ( 93) of the tape structure (91).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen (96) der an neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen (92) und/oder Tapes (93) angrenzenden Fügezonen (95) von zumindest unterster und oberster Tapelage (92) des an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführten Querschnitts (Q) der Tapestruktur (91) erfolgt.The method of claim 1, wherein in a sequence of the method, the successive plasticizing of the binder and / or matrix materials exclusively in the surfaces (96) adjacent to the juxtaposed and stacked piles (92) and / or tapes (93) Joining zones (95) of at least the bottom and top stacking layer (92) of the ultrasound excitation device (50) brought up cross section (Q) of the tape structure (91).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen (96) der aneinandergrenzenden Fügezonen (95) aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen (92) und/oder Tapes (93) des an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführten Querschnitts (Q) der Tapestruktur (91) erfolgt.The method of claim 1 or 2, wherein in a sequence of the method successive plasticizing the binder and / or matrix materials exclusively in the surfaces (96) of the adjoining joining zones (95) of all juxtaposed and stacked stack layers (92) and / or tapes (93) of the ultrasound excitation device (50) brought up cross section (Q) of the tape structure (91) takes place.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in zwischen oberster und unterster Tapelage (92) angeordneten Tapelagen (92) des an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführten Querschnitts (Q) der Tapestruktur (91) ausschließlich in den Oberflächen (96) der aneinandergrenzenden Fügezonen (95) und/oder über deren Dicke hinweg erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein in a sequence of the method, the successive plasticizing of the binder and / or matrix materials in between top and bottom stacking layer (92) arranged stacking layers (92) of the ultrasound excitation means (50) brought up Cross-section (Q) of the tape structure (91) exclusively in the surfaces (96) of the adjoining joining zones (95) and / or across the thickness takes place.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens auf die oberste Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) abgelegtes Tape (93) mit der dieses Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92), insbesondere über ein punktförmiges Ultraschall-Verschweißen, vorfixiert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein in a sequence of the method on the topmost stacking (92) of a previously deposited tape structure (91) stored tape (93) with this tape (93) carrying topmost stacking (92), in particular via a punctiform ultrasonic welding, prefixed.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens mehrere Tapes (93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …) simultan gehandhabt werden.Method according to one of the preceding claims, in which a plurality of tapes (93a, 93b, 93c, 93d, 93e, ...) are handled simultaneously in a sequence of the method.
  7. Tapelegevorrichtung (1) zur Durchführung eines Verfahrens zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats (90) für beispielsweise Automobilbauteile, insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch:Tape laying device (1) for carrying out a method for constructing and consolidating a laminate (90) for, for example, automobile components, in particular according to one of the preceding claims, characterized by :
    a) eine Zuführeinrichtung (10) für das Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape (93) an eine Ablegeeinrichtung (20);a) a feed device (10) for supplying provided with binder and / or matrix materials to be deposited tape (93) to a depositing device (20);
    b) eine Ablegeeinrichtung (20) für das Ablegen von zugeführtem Tape (93) bis zum Erhalt einer zum Laminat (90) korrespondierenden Tapestruktur (91) aus neben- und aufeinander abgelegtem Tape (93); wobei nebeneinander abgelegtes Tape (93) eine Tapelage (92) einer Tapestruktur (91) definiert; und c) eine Steuereinrichtung (30) zur Steuerung des Erhalts eines konsolidierten Laminats (90) durch: b) a depositing device (20) for depositing supplied tape (93) until a tape structure (91) corresponding to the laminate (90) is obtained from juxtaposed and stacked tape (93); wherein juxtaposed tape (93) defines a stacking (92) of a tape structure (91); and c) control means (30) for controlling the obtaining of a consolidated laminate (90) by:
    - eine Führungseinrichtung (40) für das Heranführen von einem Querschnitt (Q) der Tapestruktur (91) aus neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen (92) und/oder Tapes (93) an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) oder umgekehrt;- A guide means (40) for the introduction of a cross section (Q) of the tape structure (91) of juxtaposed and stacked stacking layers (92) and / or tapes (93) to an ultrasonic excitation means (50) or vice versa;
    - eine Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) für ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführten Querschnitt (Q) aneinandergrenzenden Fügezonen (95) aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen (92) und/oder Tapes (93) der Tapestruktur (91); und - eine Konsolidierungseinrichtung (60) für ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen im an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführten Querschnitt (Q) aneinandergrenzenden Fügezonen (95) aller neben- und aufeinander abgelegten Tapelagen (92) und/oder Tapes (93) der Tapestruktur (91).an ultrasound excitation device (50) for a successive plasticizing of the binder and / or matrix materials in all joining zones (95) adjoining each other in the cross section (Q) brought to the ultrasound excitation device (50) of all juxtaposed and stacked layers ( 92) and / or tapes (93) of the tape structure (91); and - a consolidation device (60) for a successive bringing together of the plasticized binder and / or matrix materials in all in cross section (Q) brought to the ultrasound exciter (50) adjacent joining zones (95) of all juxtaposed and stacked piles ( 92) and / or tapes (93) of the tape structure (91).
  8. Tapelegevorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablegeeinrichtung (20) eine Vielzahl an Legebalken (21) umfasst, welche zeitgleich mehrere Tapes (93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …) einzieht, ablängt und ablegt.Tape laying device (1) according to claim 7, characterized in that the depositing device (20) comprises a plurality of guide beams (21) which at the same time retracts, cuts and deposits a plurality of tapes (93a, 93b, 93c, 93d, 93e, ...).
  9. Tapelegevorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablegeeinrichtung (20) und/oder die Legebalken (21) und/oder ein Legetisch (41) wenigstens um die Breite eines oder einer Gruppe (X) abzulegender Tapes (93) zur Seite verschiebbar ausgebildet sind.Tape laying device (1) according to claim 7 or 8, characterized in that the depositing device (20) and / or the laying bars (21) and / or a laying table (41) at least the width of one or a group (X) tapes to be deposited (93 ) are designed to be displaced to the side.
  10. Tapelegevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsolidierungseinrichtung (40) eine Vielzahl großflächiger Ultraschall-Anregungseinrichtungen (50) umfasst, welche vorzugsweise durchgängig in einer Schweißbalkeneinrichtung (53) oder einer Walzenpaareinrichtung (54) angeordnet sind.Tape laying device (1) according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the consolidation device (40) comprises a plurality of large-area ultrasonic excitation means (50), which are preferably arranged continuously in a welding bar means (53) or a roller pair means (54).
  11. Tapelegevorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißbalkeneinrichtung (53) aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Gleitschuhe (80) gebildet ist, welche insbesondere hinsichtlich Konsolidierungsparameter jeweils gesondert mittels einer gesonderten oder der Steuereinrichtung (30) ansteuerbar ausgebildet sind.Tape laying device (1) according to claim 10, characterized in that the welding bar means (53) is formed of a plurality of juxtaposed sliding shoes (80), which in particular with respect to consolidation parameters each separately by means of a separate or the control device (30) are formed controllable.
  12. Tapelegevorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeder Gleitschuh (80) eine Zone (81) mit in Bewegungs- oder Gleitrichtung (G) kurzer Kontaktlänge (83) zum Einkoppeln von Ultraschall-Energie in die Tapestruktur (91) aus Tapelagen (92) und/oder Tape (93) und eine sich wenigstens einseitig in Bewegungs- oder Gleitrichtung (G) anschließenden langen Zone (82) zum Kühlen der Tapestruktur (91) aus Tapelagen (92) und/oder Tapes (93).Tape laying device (1) according to claim 11, characterized in that each sliding shoe (80) has a zone (81) with a short contact length (83) in the direction of movement or sliding (G) for coupling ultrasonic energy into the tape structure (91) Toppagen (92) and / or tape (93) and at least one side in the direction of movement or sliding (G) subsequent long zone (82) for cooling the tape structure (91) of Tapelagen (92) and / or tapes (93).
  13. Tapelegevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche (83) der Zone (81) eines Gleitschuhs (80) zur Einkopplung von Ultraschall-Energie in Gleitrichtung (G) einfach gekrümmt oder kreissegmentförmig gestaltet ist, so dass die Kontaktfläche (83) nahezu auf eine linienförmigen Kufe reduziert ist.Tape laying device (1) according to any one of claims 7 to 12, characterized in that the contact surface (83) of the zone (81) of a sliding shoe (80) for coupling of ultrasonic energy in the sliding direction (G) is simply curved or circular segment-shaped, so that the contact surface (83) is reduced to almost a line-shaped runner.
  14. Tapelegevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer gesonderten oder der Steuereinrichtung (30) die Anpresskraft, die Gleitgeschwindigkeit und/oder die Ultraschall- Intensität konstant oder variable gesteuert wird, insbesondere in Abhängigkeit der Materialeigenschaften und/oder der Temperatur und/oder Dicke einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) aus Tapelagen (92) und/oder Tapes (93), wobei insbesondere die Flächenpressung auf der US-Einkopplungszone (81) und der anschließenden Kühlzone (82) unterschiedlich groß ausgesteuert werden.Tape laying device (1) according to any one of claims 7 to 13, characterized in that by means of a separate or the control device (30) the contact pressure, the sliding speed and / or the ultrasonic intensity is controlled constant or variable, in particular depending on the material properties and / or the temperature and / or thickness of an already deposited tape structure (91) of stacking layers (92) and / or tapes (93), wherein in particular the surface pressure on the US-coupling zone (81) and the subsequent cooling zone (82) are controlled differently sized ,
  15. Tapelegevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitschuh (80), beispielsweise an seinem hinteren Ende, mit mitfahrenden Sensoren (84) ausgestattet ist, die beispielsweise mittels vorzugsweise schräg eingekoppelten Ultraschall die Konsolidierung der Tapestruktur (91) auf Ihre Qualität prüft und Parameter der Steuereinrichtung (30) für eine adaptive Regelung der Konsolidierung, wie insbesondere mittels Änderung der US-Intensität und/oder der Geschwindigkeit und/oder der Anpresskraft, bereitstellt.Tape laying device (1) according to any one of claims 7 to 14, characterized in that the sliding shoe (80), for example at its rear end, is provided with moving sensors (84) which, for example, by means of preferably obliquely coupled ultrasound, consolidate the tape structure (91 ) checks for quality and provides parameters to the control means (30) for adaptive control of the consolidation, such as, in particular, by changing the US intensity and / or the speed and / or the contact pressure.
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