EP3938190A1 - Verfahren und system zum erzeugen eines faservorformlings - Google Patents

Verfahren und system zum erzeugen eines faservorformlings

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EP3938190A1
EP3938190A1 EP20712266.4A EP20712266A EP3938190A1 EP 3938190 A1 EP3938190 A1 EP 3938190A1 EP 20712266 A EP20712266 A EP 20712266A EP 3938190 A1 EP3938190 A1 EP 3938190A1
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EP
European Patent Office
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fiber
ultrasound
individual layers
binder
fiber preforms
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20712266.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad Buettner
Ignacio Lobo Casanova
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.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3938190A1 publication Critical patent/EP3938190A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING 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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    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
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    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C70/46—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using matched moulds, e.g. for deforming sheet moulding compounds [SMC] or prepregs
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B26D—CUTTING; DETAILS COMMON TO MACHINES FOR PERFORATING, PUNCHING, CUTTING-OUT, STAMPING-OUT OR SEVERING
    • B26D3/00—Cutting work characterised by the nature of the cut made; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26D—CUTTING; DETAILS COMMON TO MACHINES FOR PERFORATING, PUNCHING, CUTTING-OUT, STAMPING-OUT OR SEVERING
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    • B26D7/08—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting
    • B26D7/086—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting by vibrating, e.g. ultrasonically
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
    • B29B11/00—Making preforms
    • B29B11/14—Making preforms characterised by structure or composition
    • B29B11/16—Making preforms characterised by structure or composition comprising fillers or reinforcement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
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    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
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    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/25—Solid
    • B29K2105/253—Preform
    • B29K2105/256—Sheets, plates, blanks or films

Definitions

  • the present invention relates to a method and system for producing a fiber preform according to the preamble of claim 1 and a system for producing a fiber preform according to the preamble of claim 11.
  • Fiber-reinforced components are usually made from dry or pre-impregnated semi-finished fiber products.
  • a fiber preform is usually first made from these semifinished fiber products, i.e. a dry fiber package which at least roughly anticipates the later shape of the component.
  • the dry semi-finished fiber products are made up as textile preliminary products, for example woven or non-woven fabrics, and then brought into the desired shape, i.e. the shape of the fiber preform, through reorientation and reshaping of the fiber structure.
  • the fixation of the fiber preforms can take place, for example, with the aid of a binder system.
  • the binder systems used are mostly thermoset or thermoplastic substances that are applied to the semifinished fiber product in powder form and in relatively small amounts, for example in the range of two to five percent by weight, and activated under the influence of temperature or by increasing the temperature.
  • the fiber preforms fixed in this way can then be separated, for example by means of suitable cutting tools.
  • the fiber-reinforced components are finally finished by soaking in a matrix material or by injecting the matrix material, for example resin, and then drying.
  • DE 10 2015 116 837 A1 describes an activation device for activating a binder when producing a fiber-reinforced plastic laminate.
  • the activation device comprises at least one light-emitting diode that has a ZF WO 2020/182948 3n A ⁇ PCT / EP2020 / 056675 P
  • DE 103 53 070 A1 discloses a device for activating binder on a semi-finished product by indirectly heating carbon fibers via an applied electrical voltage.
  • the device comprises a fiber preform shaping device for shaping a fiber preform from a dry semi-finished fiber product containing carbon fibers.
  • At least two electrodes are integrated into the fiber preform shaping device or are arranged thereon in order to apply an electrical voltage to at least some of the carbon fibers of the fiber preform.
  • the binder can be activated in a comparatively shortened period of time, which in turn shortens the overall setting process.
  • the invention relates to a method for producing a fiber preform, wherein at least one dry and textile fiber material is provided, wherein the fiber material is made up into a plurality of individual layers, the plurality of individual layers being provided with a binder, the plurality of individual layers to form a bundle is layered and wherein a plurality of interconnected fiber preforms is formed by pressing the container.
  • Friedrichshafen 2019 03-13 according to the method is characterized in that a separation of the plurality of interconnected fiber preforms and an activation of the binder take place in a common process step.
  • the invention thus describes a method in which a fiber preform is produced from textile fiber material in a series of process steps.
  • the invention is based on a so-called “sequential manufacturing process”.
  • the fiber preform is also known as a “preform” in the prior art and represents a blank that can be processed into a fiber-reinforced component using a matrix material, such as a resin, in the course of process steps following the method according to the invention.
  • the fiber material is usually at least roughly made up, ie at least roughly cut into the desired later shape of the fiber preforms or the fiber-reinforced components, so that a large number of individual layers of the fiber material is created.
  • the term “finishing” is therefore not only understood to mean cutting the fiber material, but also specifically folding or laying into a specific shape.
  • the multitude of individual layers of the fiber material is provided with a binder which fulfills the function of an adhesive and typically consists of or comprises a thermoset or thermoplastic substance.
  • the binding of the large number of individual layers can also only take place in a later process step, or it can also take place before the fiber material is made up. Both possibilities are equally preferred according to the invention.
  • the individual layers were made up by means of cutting or another separation process, they are then layered or placed on top of one another, so that a bundle is created that consists of the large number of individual layers arranged on top of one another.
  • the individual layers do not necessarily all have to have the same shape and do not all necessarily have to be arranged exactly one above the other. Rather, the individual individual layers each have that shape and are layered one on top of the other in such a way that they come as close as possible to the shape of the fiber preforms to be produced in the layered form, ie as a bundle. To do this, it may be necessary to ZF WO 2020/182948 3n A ⁇ PCT / EP2020 / 056675 P
  • the bundle within the meaning of the invention is usually created immediately when the individual layers are folded.
  • the bundle is mechanically pressed into the shape of the plurality of interconnected fiber preforms, e.g. using a hydraulic press with appropriately shaped press jaws.
  • the multitude of interconnected fiber preforms are separated, i.e. the fiber preforms are released one at a time from the plurality of connected fiber preforms, e.g. by means of a cutting process.
  • the binder is activated so that the individual layers are connected to one another by means of an adhesive effect.
  • the invention thus leads to the advantage of a compact and shortened Fierstel treatment process of the fiber preform.
  • the shortened fiering process in turn enables the number of produced fiber preforms to be increased per time unit and thus leads to a cost advantage over known fiering methods.
  • the number of workstations, which are usually comparatively cost-intensive to purchase, can be reduced.
  • the plurality of interconnected fiber preforms are additionally formed by pressing the container.
  • the fiber material comprises carbon fibers and / or glass fibers and / or aramid fibers.
  • the fiber material can be selected. It is also conceivable to combine two or more types of fiber materials in order to set the desired component properties in a targeted manner.
  • the multiplicity of individual layers is aligned with respect to a fiber orientation of each individual layer in front of a layer for the bundle.
  • the orientation can be the same for all individual layers or it can also be specifically different, for example offset by 90 ° for each individual layer. Likewise, e.g. a continuous offset of, for example, 10 ° in each case can also be provided. Since the fiber orientation, i.e. the alignment of the individual layers, has a significant impact on the component properties, these can be changed and adjusted as required.
  • the fiber orientation of a plurality of individual layers is aligned along a main load direction of the component.
  • the component is particularly resilient along its main load direction.
  • the binder is activated by supplying heat.
  • This type of bin derepttechnik is particularly suitable for binders that contain thermoset or thermoplastic substances or consist entirely of them.
  • heat can be generated comparatively easily and can be supplied to the container or the individual layers in many different ways.
  • the heat is supplied by means of ultrasound and / or by means of heat conduction.
  • These ways of supplying heat offer different advantages and can be well suited under differently depending on the shape or material of the fiber preform to be produced.
  • One advantage of the heat supply by means of ultrasound that is to say by means of high-frequency mechanical waves, is, for example, that the heat supply can be well dosed and evenly distributed due to the comparatively low heat output.
  • an ultrasound source is preferably brought into contact with the material of the fiber preform in order to ensure that the ultrasound is introduced into the material of the fiber preform as effectively as possible.
  • the heat input then takes place through external friction between the individual layers and through internal friction in the intermolecular interfaces of adjacent individual layers.
  • the heat supply by means of heat conduction offers the advantage of a comparatively very fast supply of large amounts of heat.
  • the heat is supplied by means of ultrasound via at least one sonotrode, the at least one sonotrode either being passed continuously over the plurality of interconnected fiber preforms or at regular intervals to the plurality of interconnected connected fiber preform is created.
  • the at least one sonotrode either being passed continuously over the plurality of interconnected fiber preforms or at regular intervals to the plurality of interconnected connected fiber preform is created.
  • the heat is supplied by means of heat conduction via at least one contact roller, the contact roller being heated and being guided over the plurality of interconnected fiber preforms.
  • the contact roller is preferably electrically heatable and has a comparatively high thermal conductivity, which enables comparatively large amounts of heat to be fed into the container in a short time.
  • the contact roller is preferably guided over the container under a defined contact pressure, so that the contact pressure results in a further improved adhesive effect of the binder between each two adjacent individual layers.
  • the separation of the plurality of interconnected fiber preforms takes place by means of a cutting process, the cutting process taking place via a cutting tool excited by ultrasound to vibrate.
  • the excitation of the cutting tool by means of ultrasound can take place continuously or at intervals, with the interval spacings preferably being selected in the case of an interval-like excitation such that the cutting tool always has an ultrasonic oscillation, that is to say that the interval distances are preferably such ZF WO 2020/182948 3n A ⁇ PCT / EP2020 / 056675 P
  • the cutting tool is designed as a knife. But training as scissors or punch is also conceivable and preferred
  • the adhesive effect between the multitude of individual layers is increased by the activation of the binder and its adhesive effect, so that it is in principle more difficult to pull individual individual layers out of the pressed container.
  • the binder when the binder is activated, the required cutting force also increases, which must be applied in order to separate the multitude of interconnected fiber preforms by means of a cutting process.
  • the oscillation process takes place at frequencies between 20 kHz and 40 kHz. This has proven particularly suitable in practical use.
  • the separation of the plurality of interconnected fiber preforms and activation of the binder take place in a common process step, but at locally different locations of the plurality of interconnected fiber preforms.
  • the contact roller for supplying heat and the knife for cutting can be arranged on a common tool holder, which is guided over the multitude of fiber preforms connected to one another. While the heat is then supplied via the contact roller at one point of the multitude of interconnected fiber preforms, the knife simultaneously separates the multitude of interconnected fiber preforms by the knife at a distance between the knife and the contact roll predetermined by the tool holder.
  • the invention further relates to a system for producing a fiber preform, comprising a first device which is designed for converting the provided dry and textile fiber material into a plurality of individual layers, a second device which is designed to provide the plurality of individual layers with a binder and a third device which is designed for layering a bundle from the plurality of individual layers.
  • the system according to the invention is characterized in that the system comprises a further device which is designed to separate the plurality of interconnected fiber preforms and to activate the binder in a common process step.
  • the system preferably also comprises a fourth device which is designed for forming a plurality of interconnected fiber preforms by pressing the binding.
  • the system according to the invention thus comprises all devices that are required to carry out the method according to the invention. This results in the advantages already mentioned.
  • the first device is preferably designed as a cutting device or as a punching device. Cutting devices or punching devices are advantageously suitable for assembling different textile fiber materials. ZF WO 2020/182948 3n A ⁇ PCT / EP2020 / 056675 P
  • the second device is preferably designed as a scattering device which in particular can apply a binder in powder form to the plurality of individual layers.
  • the third device is preferably designed as a laying device which can grip, align and store the layers of a cell.
  • the fourth device is preferably designed as a press, in particular as a hydraulic press.
  • the hydraulic press is also designed to be heatable in order to enable activation of the binder at the same time as the pressing of the Ge bind.
  • the further device is additionally designed to form a plurality of interconnected fiber preforms by pressing the container.
  • the acquisition and provision of the fourth device can advantageously be dispensed with.
  • the further device comprises a cutting tool that can be subjected to ultrasound and a sonotrode, the cutting tool that can be subjected to ultrasound and the sonotrode being fixedly arranged on a common tool holder.
  • the cutting tool that can be acted upon by ultrasound is preferably designed as a knife that can be acted upon by ultrasound.
  • the cutting tool that can be acted upon by ultrasound and the sonotrode are acted upon by ultrasound from a common ultrasound source. This results in the advantage that only a common ultrasound source has to be provided, which then equally applies ultrasound to the cutting tool and the sonotrode. The investment costs in the further device can thus be reduced.
  • the further device comprises a cutting tool that can be subjected to ultrasound and a heatable contact roller, the cutting tool that can be subjected to ultrasound and the heatable contact roller being fixedly arranged on a common tool holder.
  • the contact roller can be heated electrically. This has the advantage that the heat is generated directly in the contact roller and heat losses through a possible supply line can be avoided. In addition, the heat generation can be controlled comparatively precisely.
  • the contact roller can preferably also be heated via a liquid medium, for example water or oil.
  • a suitable feed device is provided which allows the contact roller to be supplied with the liquid medium.
  • a suitable derivation is also provided.
  • the system is designed to carry out the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows, by way of example and schematically, a possible embodiment of the further device which is designed to perform the separation of the plurality of interconnected fiber preforms and the activation of the binder in a common process step
  • Fig. 3 exemplarily and schematically a further possible embodiment of the further device, which is designed to perform the separation of the plurality of interconnected fiber preforms and the activation of the binder in a common process step
  • Fig. 4 exemplarily and schematically the already shown in Fig. 2 illustrated embodiment of the further device in the execution of the fiction, contemporary method and
  • FIG. 5 also shows, by way of example and schematically, that already shown in FIG.
  • Fig. 1 shows an example and schematically a sequence of a method according to the invention (Fig. 1 b) in comparison to a procedural ren known in the art (Fig. 1a).
  • a first method step 20 is initially a tro- ZF WO 2020/182948 3n A ⁇ PCT / EP2020 / 056675 P
  • the fiber material 1 is designed, for example, as a carbon fiber material 1 and is fed to a first device 2 which, for example, is designed as a cutting device 2.
  • the fiber material 1 is assembled into a plurality of individual layers 3 of the fiber material 1 by means of the cutting device 2.
  • the individual layers 3 are all designed with the same shape.
  • the plurality of individual layers 3 is provided with a binder 5 comprising a thermoplastic substance by means of a second device 4.
  • the second device 4 is designed, for example, as a scattering device 4 which applies the binder 5 in powder form to the plurality of individual layers 3.
  • step 23 the multitude of individual layers 3 is layered to form a package 7, taking into account a fiber orientation of each individual layer.
  • the bundle 7 thus consists of the multitude of individual layers 3.
  • the layering of the multitude of individual layers 3 to form the bundle 7 is done by means of a third device 6, which is designed as a laying device 6, for example, and grips, aligns and removes the multitude of individual layers 3. can lay.
  • a third device 6 which is designed as a laying device 6, for example, and grips, aligns and removes the multitude of individual layers 3. can lay.
  • the known method and the method according to the invention do not differ according to the example.
  • step 24 the container is now pressed in accordance with the known method
  • a plurality of interconnected fiber preforms 8 are formed, the pressing taking place, for example, by means of a fourth device 9 designed as a hydraulic press 9.
  • the binder 5 is activated by means of a contact heater 10, so that the binder 5 develops an adhesive effect between the individual layers 3 of the container 7 or the plurality of fiber preforms 8 connected to one another.
  • the plurality of interconnected fiber preforms 8 are separated by means of a punching device 11.
  • the separated fiber preforms 8 are transferred to another device, not shown in FIG. 1, for further processing.
  • the method according to the invention differs from the known method steps 24, 25 and 26 in that in method step 27 the plurality of fiber preforms connected to one another simultaneously
  • the further device 12 comprises, for example, a cutting tool 13 that can be acted upon by ultrasound and a sonotrode 14, the cutting tool 13 that can be acted upon by ultrasound and the sonotrode 14 being fixedly arranged on a common tool holder 15. Since the shaping, the separation of the multiplicity of interconnected fiber preforms 8 and the activation of the binder 5 take place simultaneously, a reduction in the production time required can be achieved compared with the known method. In addition, the necessary investment costs can be reduced because the purchase of the hydraulic cal press 9, the contact heater 10 and the punching device 11 can be dispensed with. Instead, only the further device 12 has to be purchased. In step 28, the individual fiber preforms 8 are now transferred to another device for further processing.
  • Fig. 2 shows an example and schematically a possible embodiment of the wide Ren device 12, which is designed to perform the separation of the plurality of mitei nander connected fiber preforms 8 and the activation of the binder 5 in a common process step.
  • the further device 12 shown by way of example in FIG. 2 comprises a cutting tool 13 designed as a knife 13, which can be acted upon by ultrasound, and a sonotrode 14 which are fixedly arranged on a common tool holder 15 at a predetermined distance.
  • the knife 13 the plurality of interconnected fiber preforms 8 can be cut and thus separated.
  • ultrasonic waves are introduced into the multitude of interconnected fiber preforms 8 via the sonotrode 14, which activate the binder 5 so that it develops its adhesive effect.
  • the application of ultrasound to the knife 13 means that the fiber material 1 of the multiplicity of interconnected fiber preforms 8 can be cut comparatively easily and precisely.
  • the knife 13 is assigned an ultrasonic source 17 and the sonotrode 14 is assigned an ultrasonic source 18. Due to the illustrated spacing of the knife 13 from the sonotrode 14, the separation and activation take place simultaneously, but at locally different locations of the multitude of interconnected fiber preforms 8. By aligning the further device 12 it can thus be determined whether an individual Fiber pre- ZF WO 2020/182948 3n A ⁇ PCT / EP2020 / 056675 P
  • the common tool holder 15 can, for example, be connected to an industrial robot (not shown) or a CNC milling system (also not shown), which then guides and operates the additional tool 12 over the multitude of interconnected fiber preforms 8 in the course of executing the method according to the invention .
  • FIG. 3 shows, by way of example and schematically, a further possible embodiment of the further device 12, which is designed to carry out the separation of the plurality of interconnected fiber preforms 8 and the activation of the binder 5 in a common process step.
  • the further device 12 of FIG. 3 differs from the further device 12 of FIG. 2 in that, instead of the sonotrode 14, it comprises an electrically heatable contact roller 16.
  • the heatable contact roller 16 is also firmly arranged with the knife 13 on the tool holder 15 common men.
  • FIG. 4 shows, by way of example and schematically, the embodiment of the further device 12 already shown in FIG. 2 when carrying out the method according to the invention.
  • the further device 12 comprises a cutting tool 13, designed as a knife 13, which can be acted upon by ultrasound, with an ultrasound source 17 and a sonotrode 14 with an ultrasound source 18, which stood at a predetermined distance from a common tool holder 15.
  • the common tool holder 15 is exemplified by an industrial robot (not shown) via a plurality of interconnected fiber preforms 8.
  • the plurality of interconnected fiber preforms 8 is stored on holders 19.
  • the separation and activation take place simultaneously in a common process step, but separated locally by the spacing of the knife 13 from the sonotrode 14 in such a way that the fiber preforms 8 are separated before the binder 5 of the separated fiber preforms 8 is activated.
  • FIG. 5 also shows, by way of example and schematically, the embodiment of the further device 12 already shown in FIG. 2 when executing the method according to the invention.
  • the illustration in FIG. 5 differs from the illustration in FIG. 4 in the orientation of the further device 12:
  • the orientation of the further device 12 is such that the plurality of fiber preforms 8 connected to one another are first used by means of the sonotrode 14 is subjected to ultra sound, so that an activation of the binder 5 takes place before the plurality of interconnected fiber preforms 8 are separated by means of the knife 13.
  • the separation and activation take place simultaneously in a common process step, but locally separated by the spacing of the knife 13 from the sonotrode 14 in such a way that the binder 5 is activated before the fiber preforms 8 are separated.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings (8), wobei mindestens ein trockenes und textiles Fasermaterial (1) bereitgestellt wird (20), wobei das Fasermaterial (1) in eine Vielzahl von Einzellagen (3) konfektioniert wird (21), wobei die Vielzahl von Einzellagen (3) mit einem Binder (4) versehen wird (22), wobei die Vielzahl von Einzellagen (3) zu einem Gebinde (7) geschichtet wird (23) und wobei durch Pressen des Gebindes (7) eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geformt wird (24). Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) und eine Aktivierung des Binders (5) ein einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen (27). Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes System.

Description

Verfahren und System zum Erzeugen eines Faservorformlings
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Erzeugen eines Faservorformlings gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein System zum Er zeugen eines Faservorformlings gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 11.
Im Stand der Technik ist die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen in vielen technischen Bereichen bekannt. Beispielsweise werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe oftmals in der Luft- und Raumfahrttechnik oder auch in Sportgeräten ein gesetzt. Ebenso ist auch die Verwendung von Glasfasern oder Aramidfasern zur Ma terialverstärkung bekannt. Faserverstärkte Bauteile werden dabei üblicherweise aus trockenen oder aus vorimprägnierten Faserhalbzeugen hergestellt. Bei der Verwen dung von trockenen Faserhalbzeugen wird aus diesen Faserhalbzeugen in der Regel zunächst ein Faservorformling hergestellt, also ein trockenes Faserpaket, das zu mindest grob bereits die spätere Form des Bauteils vorwegnimmt. Typischerweise werden die trockenen Faserhalbzeuge als textile Vorprodukte, beispielsweise Gewe be oder Gelege, konfektioniert und anschließend durch Umorientierung und Umfor mung des Fasergebildes in die gewünschte Form, also die Form des Faservorform lings, gebracht. Die Fixierung der Faservorformlinge kann beispielsweise mit Hilfe eines Bindersystems geschehen. Bei den verwendeten Bindersystemen handelt es sich zumeist um duromere oder thermoplastische Substanzen, die beispielsweise pulverförmig und in verhältnismäßig geringer Menge, beispielsweise im Bereich von zwei bis fünf Gewichtsprozent, auf das Faserhalbzeug aufgebracht werden und unter Temperatureinfluss bzw. durch Temperaturerhöhung aktiviert werden. Die solcherart fixierten Faservorformlinge können dann beispielsweise durch geeignete Schneid werkzeuge vereinzelt werden. Die faserverstärkten Bauteile werden schließlich durch Tränken in einem Matrixmaterial oder durch Injektion des Matrixmaterials, beispiels weise Harz, und anschließendes Trocknen fertig gestellt.
In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 10 2015 116 837 A1 eine Aktivierungs vorrichtung zur Binderaktivierung beim Herstellen eines faserverstärkten Kunststoff laminats. Die Aktivierungsvorrichtung umfasst mindestens eine Leuchtdiode, die ei- ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019-03-13 nen Abschnitt eines Faserhalbzeugs beleuchtet und erwärmt, um so den darin ent haltenen Binder zu aktivieren.
Aus der DE 103 53 070 A1 ist eine Vorrichtung zur Binderaktivierung auf einem Fa serhalbzeug durch indirektes Erwärmen von Kohlenstofffasern über eine angelegte elektrische Spannung bekannt. Dazu umfasst die Vorrichtung eine Faservorformling- Formgebungsvorrichtung zur Ausformung eines Faservorformlings aus einem tro ckenen, Kohlenstofffasern enthaltenden Faserhalbzeug. Mindestens zwei Elektroden sind in die Faservorformling-Formgebungsvorrichtung integriert bzw. an dieser ange ordnet, um eine elektrische Spannung an zumindest einen Teil der Kohlenstofffasern des Faservorformlings anzulegen. Dadurch kann der Binder in einer vergleichsweise verkürzten Zeitspanne aktiviert werden, wodurch wiederum der Fierstellungsprozess insgesamt verkürzt wird.
Die bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen sind jedoch dahingehend nachteilbehaftet, als dass sie durch die Vielzahl notwendiger, aufeinanderfolgender Prozessschritte vergleichsweise langwierig sind. Zudem sind vergleichsweise hohe Investitionskosten zur Beschaffung einer Vielzahl von benötigten Arbeitsstationen zur Durchführung der Prozessschritte erforderlich.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Erzeugen eines Fa servorformlings gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings, wobei mindestens ein trockenes und textiles Fasermaterial bereitgestellt wird, wobei das Fasermaterial in eine Vielzahl von Einzellagen konfektioniert wird, wobei die Vielzahl von Einzellagen mit einem Binder versehen wird, wobei die Vielzahl von Einzellagen zu einem Gebinde geschichtet wird und wobei durch Pressen des Gebindes eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geformt wird. Das erfin- ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019 03-13 dungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und eine Aktivierung des Binders ein einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen.
Die Erfindung beschreibt also ein Verfahren, bei dem aus textilem Fasermaterial in einer Reihe von Prozessschritten ein Faservorformling erzeugt wird. Die Erfindung geht dabei von einem sog.„sequentiellen Herstellungsverfahren“ aus. Der Faservor formling ist im Stand der Technik auch als„Preform“ bekannt und stellt einen Rohling dar, der im Zuge sich an das erfindungsgemäße Verfahren anschließender Prozess schritte mit einem Matrixmaterial, wie z.B., einem Harz, zu einem faserverstärkten Bauteil fertig verarbeitet werden kann. Zunächst wird dazu das Fasermaterial übli cherweise zumindest grob konfektioniert, d.h. zumindest grob in die gewünschte spä tere Form der Faservorformlinge bzw. der faserverstärkten Bauteile geschnitten, so dass eine Vielzahl von Einzellagen des Fasermaterials entsteht. Alternativ ist es auch möglich, das Fasermaterial mehrfach übereinander zu falten und erst in einem späte ren Prozessschritt oder überhaupt nicht zu schneiden. Im Sinne der Erfindung wird unter dem Begriff„Konfektionieren“ daher nicht ausschließlich das Schneiden des Fasermaterials verstanden, sondern auch das gezielte Falten bzw. Legen zu einer bestimmten Form. In einem weiteren Schritt wird die Vielzahl von Einzellagen des Fasermaterials mit einem Binder versehen, der die Funktion eines Klebstoffs erfüllt und typischerweise aus einer duromeren oder thermoplastischen Substanz besteht bzw. diese umfasst. Das Versehen der Vielzahl von Einzellagen mit dem Binder kann auch erst in einem späteren Prozessschritt erfolgen oder ebenso bereits vor dem Konfektionieren des Fasermaterials erfolgen. Beide Möglichkeiten sind erfindungs gemäß gleichermaßen bevorzugt. Sofern die Einzellagen mittels Schneiden oder mit tels eines anderen Trennprozesses konfektioniert wurden, werden sie dann ge schichtet bzw. übereinander gelegt, so dass ein Gebinde entsteht, dass aus der Viel zahl von übereinander angeordneten Einzellagen besteht. Die Einzellagen müssen nicht zwangsläufig alle die gleiche Form aufweisen und nicht alle zwangsläufig exakt übereinander angeordnet sein. Vielmehr weisen die einzelnen Einzellagen jeweils diejenige Form auf und sind derart übereinander geschichtet, dass sie in der überei nander geschichteten Form, also als Gebinde, der Form der herzustellenden Faser vorformlinge möglichst nahe kommen. Dazu kann es ggf. notwendig sein, einige Ein- ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019 03-13 zellagen teilweise auch nebeneinander anzuordnen. Sofern die Einzellagen mittels Falten konfektioniert wurden, entsteht das Gebinde im Sinne der Erfindung üblicher weise bereits unmittelbar beim Falten der Einzellagen. In einem weiteren Schritt wird das Gebinde in die Form der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlin gen mechanisch gepresst, z.B. mittels einer hydraulischen Presse mit entsprechend ausgeformten Pressbacken. In einem letzten Schritt schließlich wird die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen vereinzelt, d.h. die Faservorformlinge werden jeweils einzeln von der Vielzahl von verbundenen Faservorformlingen abge löst, z.B. mittels eines Schneidprozesses. Gleichzeitig wird der Binder aktiviert, so dass die Einzellagen untereinander mittels einer Klebwirkung verbunden werden.
Die Erfindung führt somit zum Vorteil eines kom paktierten und verkürzten Fierstel lungsprozesses des Faservorformlings. Der verkürzte Fierstellungsprozess wiederum ermöglicht die Erhöhung der Stückzahl der erzeugten Faservorformlinge je Zeitein heit und führt damit zu einem Kostenvorteil gegenüber bekannten Fierstellungsver fahren. Zudem kann die Anzahl der meist in ihrer Anschaffung vergleichsweise kos tenintensiven Arbeitsstationen reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass im gemeinsamen Prozessschritt zusätzlich durch Pressen des Gebindes die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geformt wird. Dadurch kann der bekannte Herstellungsprozess noch weiter verkürzt werden. Weiterhin können auch die Kosten zur Anschaffung der benötigten Arbeitsstationen nochmal reduziert wer den.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass das Fasermaterial Kohlenstoffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramid- fasern umfasst. Je nach vorgesehenem Verwendungszweck und benötigten Bautei leigenschaften wie etwa Gewichtsanforderungen, Steifigkeit bzw. Elastizität kann da bei das Fasermaterial gewählt werden. Ebenso ist es denkbar, zwei oder mehr Arten von Fasermaterialien zu kombinieren, um die gewünschten Bauteileigenschaften ge zielt einzustellen. ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass die Vielzahl von Einzellagen vor einem Schichten zum Gebinde hinsichtlich einer Faserorientierung jeder Einzellage ausgerichtet wird. Die Orientierung kann dabei für alle Einzellagen gleich sein oder aber auch gezielt unterschiedlich sein, beispielsweise je Einzellage um 90 ° versetzt sein. Ebenso kann z.B. auch ein la genweise fortlaufender Versatz von beispielsweise jeweils 10 ° vorgesehen sein. Da die Faserorientierung, also die Ausrichtung der Einzellagen, die Bauteileigenschaften wesentlich prägt, können diese somit wie benötigt verändert und eingestellt werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Faserorientierung einer Mehrzahl von Einzel lagen entlang einer Hauptbelastungsrichtung des Bauteils ausgerichtet wird. Somit ist das Bauteil entlang seiner Hauptbelastungsrichtung besonders belastbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass die Aktivierung des Binders durch Wärmezufuhr erfolgt. Diese Art der Bin deraktivierung eignet sich besonders für Binder, welche duromere oder thermoplasti sche Substanzen enthalten oder vollständig aus diesen bestehen. Zudem ist Wärme vergleichsweise leicht erzeugbar und kann dem Gebinde bzw. den Einzellagen auf viele unterschiedliche Arten zugeführt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass die Wärmezufuhr mittels Ultraschall und/oder mittels Wärmeleitung erfolgt. Diese Möglichkeiten der Wärmezufuhr bieten dabei unterschiedliche Vorteile und können je nach Form bzw. Material des herzustellenden Faservorformlings unter schiedlich gut geeignet sein. Ein Vorteil der Wärmezufuhr mittels Ultraschall, also mittels hochfrequenter mechanischer Wellen, ist beispielsweise, dass die Wärmezu fuhr aufgrund der vergleichsweise geringen Wärmeleistung gut dosiert und gleich mäßig verteilt werden. Bevorzugt wird eine Ultraschallquelle dazu in Kontakt mit dem Material des Faservorformlings gebracht, um eine möglichst wirkungsvolle Einleitung des Ultraschalls in das Material des Faservorformlings zu gewährleisten. Der Wär meeintrag erfolgt dann durch äußeren Reibung zwischen den Einzellagen sowie durch innere Reibung in zwischenmolekularen Grenzflächen benachbarter Einzella- ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019 03-13 gen. Die Wärmezufuhr mittels Wärmeleitung hingegen bietet den Vorteil einer ver gleichsweise sehr schnellen Zufuhr großer Wärmemengen.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmezufuhr mittels Ultraschall über mindestens eine Sonot rode erfolgt, wobei die mindestens eine Sonotrode entweder kontinuierlich über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen geführt wird oder in re gelmäßigen Abständen an die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorform lingen angelegt wird. In ersterem Fall ergibt sich eine gleichmäßige Aktivierung der eingebrachten Binders, wohingegen in letzterem Fall eine verstärkte Aktivierung des Binders an den Anlegepunkten der Sonotrode ergibt. Insbesondere bei einem eben falls ungleichmäßigen Einbringen des Binders, bevorzugt nämlich nur an den Anle gepunkten der Sonotrode, kann der letztere Fall vorteilhaft sein.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wärmezufuhr mittels Wärmeleitung über mindestens eine Kon taktwalze erfolgt, wobei die Kontaktwalze beheizt wird und über die Vielzahl von mit einander verbundenen Faservorformlingen geführt wird. Die Kontaktwalze ist bevor zugt elektrisch beheizbar und weist eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die Zufuhr vergleichsweise großer Wärmemengen in das Gebinde in kurzer Zeit ermöglicht wird. Bevorzugt wird die Kontaktwalze unter einem definierten Anpressdruck über das Gebinde geführt, so dass sich durch den Anpressdruck eine nochmals verbesserte Klebwirkung des Binders zwischen je zwei benachbarten Ein zellagen ergibt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorform lingen mittels eines Schneidvorgangs erfolgt, wobei der Schneidvorgang über ein mittels Ultraschall zu einem Schwingvorgang angeregtes Schneidwerkzeug erfolgt. Die Anregung des Schneidwerkzeugs mittels Ultraschall kann dabei kontinuierlich oder intervallartig erfolgen, wobei bei einer intervallartigen Anregung die Intervallab stände bevorzugt derart gewählt werden, dass das Schneidwerkzeug stets eine Ult raschallschwingung aufweist, d.h. also, dass die Intervallabstände bevorzugt derart ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019-03-13 kurz sind, dass die Ultraschallschwingung des Schneidwerkzeugs während eines Schneidvorgangs niemals vollständig abklingt. Wie sich herausgestellt hat, ermög licht eine Ultraschallbeaufschlagung des Schneidwerkzeugs nämlich einen ver gleichsweise einfacheren, schnelleren und präziseren Schneidvorgang. Dies ist ins besondere dahingehend von Vorteil, dass die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen, welche durch Pressen geformt wurde, keiner zu großen Kraftbe aufschlagung durch den Schneidvorgang ausgesetzt werden soll, um eine Auflösen der gepressten Form zu vermeiden. Andernfalls könnten zu hohe Reibungskräfte bzw. Anhaftkräfte zwischen einer Klinge des Schneidwerkzeugs und den Einzellagen entstehen, welche dazu führen, dass eine Schneide die Einzellagen aus ihrer vorge sehenen Position innerhalb des Gebindes bzw. innerhalb der Vielzahl von miteinan der verbundenen Faservorformlingen herauszieht. In diesem Fall wäre die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen zerstört.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Schneidwerkzeug als Messer ausgebildet ist. Aber auch eine Ausbildung als Schere oder Stanze ist denkbar und bevorzugt
Allgemein gilt dabei, dass die Haftwirkung zwischen der Vielzahl von Einzellagen durch die Aktivierung des Binders und dessen Klebwirkung vergrößert wird, so dass es prinzipiell schwieriger ist, einzelne Einzellagen aus dem gepressten Gebinde her auszuziehen. Andersherum nimmt bei aktiviertem Binder jedoch auch die benötigte Schneidkraft zu, welche aufgebracht werden muss, um die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen mittels eines Schneidvorgangs zu vereinzeln.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass der Schwingvorgang bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 40 kHz liegt erfolgt. Dies hat sich in der praktischen Verwendung als besonders geeignet erwie sen.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass zwar die Vereinzelung der Vielzahl von miteinan der verbundenen Faservorformlingen und eine Aktivierung des Binders ein einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen, jedoch an lokal unterschiedlichen Stellen der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen. Beispielsweise können ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019 03-13 die Kontaktwalze zur Wärmezufuhr und das Messer zum Schneiden an einer ge meinsamen Werkzeughalterung angeordnet sein, welche über die Vielzahl von mitei nander verbundenen Faservorformlingen geführt wird. Während dann über die Kon taktwalze an einer Stelle der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlin gen die Wärmezufuhr erfolgt, erfolgt gleichzeitig in einem durch die Werkzeughalte rung vorgegebenen Abstand des Messers zur Kontaktwalze die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen durch das Messer.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Erzeugen eines Faservorformlings, umfassend eine erste Vorrichtung, die zum Konfektionieren von bereitgestelltem, tro ckenem und textilem Fasermaterial in eine Vielzahl von Einzellagen ausgebildet ist, eine zweite Vorrichtung, die zum Versehen der Vielzahl von Einzellagen mit einem Binder ausgebildet ist und eine dritte Vorrichtung, die zum Schichten eines Gebindes aus der Vielzahl von Einzellagen ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße System zeichnet sich dadurch aus, dass das System eine weitere Vorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und eine Aktivierung des Binders ein einem gemeinsamen Pro zessschritt auszuführen.
Bevorzugt umfasst das System auch eine vierte Vorrichtung, die zum Formen einer Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen durch Pressen des Ge bindes ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße System umfasst somit alle Vorrichtungen, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt werden. Daraus ergeben sich die be reits genannten Vorteile.
Die erste Vorrichtung ist bevorzugt als Schneidvorrichtung oder als Stanzvorrichtung ausgebildet. Schneidvorrichtungen bzw. Stanzvorrichtungen eignen sich vorteilhaft zum Konfektionieren unterschiedlicher textiler Fasermaterialien. ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
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Die zweite Vorrichtung ist bevorzugt als Streuvorrichtung ausgebildet, die insbeson dere einen pulverförmig vorliegenden Binder auf die Vielzahl von Einzellagen auf bringen kann.
Die dritte Vorrichtung ist bevorzugt als Legevorrichtung ausgebildet, welche die Ein zellagen greifen, ausrichten und ablegen kann.
Die vierte Vorrichtung ist bevorzugt als Presse, insbesondere als hydraulische Pres se, ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die hydraulische Presse zudem beheizbar ausgebildet, um eine Aktivierung des Binders gleichzeitig mit dem Pressen des Ge bindes zu ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die weitere Vorrichtung zusätzlich dazu ausgebildet ist eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen durch Pressen des Gebindes zu formen. In diesem Fall kann auf die Anschaffung und Bereitstellung der vierten Vorrichtung vorteilhaft verzichtet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die weitere Vorrichtung ein ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug und eine Sonotrode umfasst, wobei das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug und die Sonotrode auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung fest angeordnet sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbunde nen Faservorformlingen und die Aktivierung des Binders auf sehr einfache Weise in einem gemeinsamen Prozessschritt ausgeführt werden können, da sie an der ge meinsamen Halterung auch gemeinsam über die Vielzahl von miteinander verbunde nen Faservorformlingen geführt werden können. Somit erfolgen die Vereinzelung und die Aktivierung gleichzeitig und in einem gemeinsamen Prozessschritt, jedoch an lokal unterschiedlichen Stellen der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservor formlingen. Diese unterschiedlichen Stellen sind dabei durch die Werkzeughalterung geprägt, die den Abstand zwischen dem an ihr angeordneten Schneidwerkzeug und der ebenfalls an ihr angeordneten Sonotrode vorgibt. ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
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Das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug ist bevorzugt als ultraschallbeauf- schlagbares Messer ausgebildet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug und die Sonotrode von einer gemeinsamen Ultraschallquelle ultraschallbeaufschlagt werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass nur eine gemeinsame Ultraschallquelle bereitgestellt werden muss, welch dann gleichermaßen das Schneidwerkzeug und die Sonotrode ultra schallbeaufschlagt. Somit können die Investitionskosten in die weitere Vorrichtung reduziert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass die weitere Vorrichtung ein ultraschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug und eine beheizbare Kontaktwalze umfasst, wobei das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug und die beheizbare Kontaktwalze auf einer gemeinsamen Werk zeughalterung fest angeordnet sind. Dies stellt eine alternative Ausbildungsform zur Bereitstellung des Schneidwerkzeugs in Verbindung mit der Sonotrode an der ge meinsamen Werkzeughalterung dar.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass die Kontaktwalze elektrisch beheizbar ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Wärme in der Kontaktwalze direkt entsteht und Wärmeverluste durch eine evtl. Zuleitung vermieden werden können. Zudem kann die Wärmeerzeugung ver gleichsweise exakt geregelt werden.
Alternativ bevorzugt kann die Kontaktwalze auch über ein flüssiges Medium, bei spielsweise Wasser oder Öl, beheizbar sein. In diesem Fall ist eine geeignete Zulei tung vorgesehen, welche eine Versorgung der Kontaktwalze mit dem flüssigen Medi um erlaubt. Ebenso ist eine geeignete Ableitung vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgese hen, dass das System dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszu führen. ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausfüh rungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen
Verfahrens im Vergleich zu einem im Stand der Technik bekannten Ver fahren,
Fig. 2 beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform der weite ren Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und die Aktivierung des Binders in einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen,
Fig. 3 beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen und die Akti vierung des Binders in einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen, Fig. 4 beispielhaft und schematisch die bereits in Fig. 2 dargestellte Ausbil dungsform der weiteren Vorrichtung bei der Ausführung des erfindungs gemäßen Verfahrens und
Fig. 5 beispielhaft und schematisch ebenfalls die bereits in Fig. 2 dargestellte
Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung bei der Ausführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens.
Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figu- renübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer techni schen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens (Fig. 1 b) im Vergleich zu einem im Stand der Technik bekannten Verfah ren (Fig. 1a). Sowohl gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren als auch gemäß dem bekannten Verfahren wird einem ersten Verfahrensschritt 20 zunächst ein tro- ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019-03-13 ckenes und textiles Fasermaterial 1 bereitgestellt. Das Fasermaterial 1 ist beispiels gemäß als Kohlenstofffasermaterial 1 ausgebildet und wird einer ersten Vorrichtung 2 welche beispielsgemäß als Schneidvorrichtung 2 ausgebildet ist, zugeführt. In Ver fahrensschritt 21 wird das Fasermaterial 1 mittels der Schneidvorrichtung 2 in eine Vielzahl von Einzellagen 3 des Fasermaterials 1 konfektioniert. Beispielsgemäß sind die Einzellagen 3 sämtlich formgleich ausgebildet. Im folgenden Verfahrensschritt 22 wird die Vielzahl von Einzellagen 3 mittels einer zweiten Vorrichtung 4 mit einem eine thermoplastische Substanz umfassenden Binder 5 versehen. Die zweite Vorrichtung 4 ist dazu beispielsgemäß als Streuvorrichtung 4 ausgebildet, die den Binder 5 pul verförmig auf die Vielzahl von Einzellagen 3 aufbringt. In Schritt 23 wird nun die Viel zahl von Einzellagen 3 unter Berücksichtigung einer Faserorientierung jeder Einzel lage zu einem Gebinde 7 geschichtet. Das Gebinde 7 besteht also aus der Vielzahl von Einzellagen 3. Das Schichten der Vielzahl von Einzellagen 3 zum Gebinde 7 ge schieht mittels einer dritten Vorrichtung 6, welche beispielsgemäß als Legevorrich tung 6 ausgebildet ist und die Vielzahl von Einzellagen 3 greifen, ausrichten und ab- legen kann. Bis zu Verfahrensschritt 23 unterscheiden sich das bekannte Verfahren und das erfindungsgemäße Verfahren beispielsgemäß nicht.
In Schritt 24 wird nun gemäß dem bekannten Verfahren durch Pressen des Gebindes
7 eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 geformt, wobei das Pressen beispielsgemäß mittels einer als hydraulische Presse 9 ausgebildeten vierten Vorrichtung 9 erfolgt. In Schritt 25 wird gemäß dem bekannten Verfahren mit tels einer Kontaktheizung 10 der Binder 5 aktiviert, so dass der Binder 5 eine Kleb wirkung zwischen den Einzellagen 3 des Gebindes 7 bzw. der Vielzahl von miteinan der verbundenen Faservorformlingen 8 entwickelt. Anschließend wird in Verfahrens schritt 26 mittels einer Stanzvorrichtung 11 die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 vereinzelt. In Schritt 28 erfolgt die Übergabe der vereinzelten Faservorformlinge 8 an eine andere, in Fig. 1 nicht dargestellte Vorrichtung zu deren weiterer Verarbeitung. Von den bekannten Verfahrensschritten 24, 25 und 26 unter scheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend, dass in Verfahrens schritt 27 gleichzeitig die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen
8 geformt wird, die Aktivierung des Binders 5 erfolgt und ebenfalls gleichzeitig die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 er- ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019-03-13 folgt. Die weitere Vorrichtung 12 umfasst dabei beispielsgemäß ein ultraschallbeauf- schlagbares Schneidwerkzeug 13 und eine Sonotrode 14, wobei das ultraschallbe- aufschlagbare Schneidwerkzeug 13 und die Sonotrode 14 auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung 15 fest angeordnet sind. Da die Formgebung, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 und die Aktivierung des Binders 5 gleichzeitig erfolgen, kann gegenüber dem bekannten Verfahren eine Verringerung der benötigten Produktionszeit erzielt werden. Zudem können die not wendigen Investitionskosten reduziert werden, da auf die Anschaffung der hydrauli sche Presse 9, der Kontaktheizung 10 sowie der Stanzvorrichtung 11 verzichtet wer den kann. Stattdessen muss nur die weitere Vorrichtung 12 angeschafft werden. In Schritt 28 erfolgt nun auch hier die Übergabe der vereinzelten Faservorformlinge 8 an eine andere Vorrichtung zu deren weiterer Verarbeitung.
Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine mögliche Ausbildungsform der weite ren Vorrichtung 12, die dazu ausgebildet ist, die Vereinzelung der Vielzahl von mitei nander verbundenen Faservorformlingen 8 und die Aktivierung des Binders 5 in ei nem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen. Dazu umfasst die in Fig. 2 beispiel haft gezeigte weitere Vorrichtung 12 ein als Messer 13 ausgebildetes ultraschallbe- aufschlagbares Schneidwerkzeug 13 sowie eine Sonotrode 14, die auf einer gemein samen Werkzeughalterung 15 in einem vorgegebenen Abstand fest angeordnet sind. Mittels des Messers 13 kann die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservor formlingen 8 geschnitten und somit vereinzelt werden. Gleichzeitig werden über die Sonotrode 14 Ultraschallwellen in die Vielzahl von miteinander verbundenen Faser vorformlingen 8 eingeleitet, welche den Binder 5 aktivieren, so dass dieser seine Klebwirkung entfaltet. Die Ultraschallbeaufschlagung des Messers 13 führt dazu, dass das Fasermaterial 1 der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorform lingen 8 vergleichsweise einfach und präzise geschnitten werden kann. Zur Erzeu gung der Ultraschallwellen ist dem Messer 13 einer Ultraschallquelle 17 zugeordnet und der Sonotrode 14 ist eine Ultraschallquelle 18 zugeordnet. Durch die dargestellte Beabstandung des Messers 13 von der Sonotrode 14, erfolgen die Vereinzelung und die Aktivierung zwar gleichzeitig, jedoch an lokal unterschiedlichen Stellen der Viel zahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8. Durch die Ausrichtung der weiteren Vorrichtung 12 kann somit festgelegt werden, ob ein einzelner Faservor- ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019-03-13 formling 8 zunächst mittels des Messers 13 von der Vielzahl von miteinander ver bundenen Faservorformlingen 8 abgetrennt bzw. abgeschnitten bzw. vereinzelt wer den soll oder ob der Binder 5 im Bereich des einzelnen Faservorformlings 8 zunächst mittels der Sonotrode 14 aktiviert werden soll. Die gemeinsame Werkzeughalterung 15 kann beispielsgemäß an einen nicht dargestellten Industrieroboter oder eine ebenfalls nicht dargestellte CNC-Fräsanlage angebunden werden, welcher bzw. wel che das weitere Werkzeug 12 dann im Zuge der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 führt und betätigt.
Fig. 3 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere mögliche Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung 12, welche dazu ausgebildet ist, die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 und die Aktivierung des Binders 5 in einem gemeinsamen Prozessschritt auszuführen. Die weitere Vorrichtung 12 der Fig. 3 unterscheidet sich von der weiteren Vorrichtung 12 der Fig. 2 dadurch, dass sie anstelle der Sonotrode 14 eine elektrisch beheizbare Kontaktwalze 16 umfasst. Die beheizbare Kontaktwalze 16 ist mit dem Messer 13 ebenfalls an der gemeinsa men Werkzeughalterung 15 fest angeordnet.
Fig. 4 zeigt beispielhaft und schematisch die bereits in Fig. 2 dargestellte Ausbil dungsform der weiteren Vorrichtung 12 bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die weitere Vorrichtung 12 umfasst ein als Messer 13 ausgebildetes ult- raschallbeaufschlagbares Schneidwerkzeug 13 mit einer Ultraschallquelle 17 und eine Sonotrode 14 mit einer Ultraschallquelle 18, die in einem vorgegebenen Ab stand an einer gemeinsamen Werkzeughalterung 15 fest angeordnet sind. Die ge meinsame Werkzeughalterung 15 wird beispielsgemäß von einem nicht dargestellten Industrieroboter über eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8. Die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 ist dabei auf Hal terungen 19 abgelegt. Wie zu sehen ist, ist die weitere Vorrichtung 12 in Fig. 4 derart ausgerichtet, dass ein Faservorformling 8 zuerst mittels des Messers 13 von der Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 abgetrennt bzw. abge schnitten bzw. vereinzelt wird, bevor er mittels der Sonotrode 14 ultraschallbeauf schlagt wird, was dann zur Aktivierung des Binders 5 führt. D.h. also, dass gemäß ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019-03-13 der Darstellung der Fig. 4 die Vereinzelung und Aktivierung zwar gleichzeitig in ei nem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen, jedoch durch die Beabstandung des Messers 13 von der Sonotrode 14 derart lokal getrennt, dass die Faservorformlinge 8 vereinzelt werden, bevor der Binder 5 der vereinzelten Faservorformlinge 8 aktiviert wird.
Fig. 5 zeigt beispielhaft und schematisch ebenfalls die bereits in Fig. 2 dargestellte Ausbildungsform der weiteren Vorrichtung 12 bei der Ausführung des erfindungsge mäßen Verfahrens. Die Darstellung der Fig. 5 unterscheidet sich von der Darstellung der Fig. 4 durch die Ausrichtung der weiteren Vorrichtung 12: Gemäß Fig. 5 ist die Ausrichtung der weiteren Vorrichtung 12 nämlich derart, dass die Vielzahl von mitei nander verbundenen Faservorformlingen 8 zuerst mittels der Sonotrode 14 ultra schallbeaufschlagt wird, so dass also eine Aktivierung des Binders 5 erfolgt, bevor die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen 8 mittels des Messers 13 vereinzelt wird. Auch in diesem Fall erfolgen die Vereinzelung und Aktivierung zwar gleichzeitig in einem gemeinsamen Prozessschritt, jedoch durch die Beabstan dung des Messers 13 von der Sonotrode 14 derart lokal getrennt, dass der Binder 5 aktiviert wird, bevor die Faservorformlinge 8 vereinzelt werden.
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Bezugszeichen
1 Fasermaterial, Kohlenstofffasermaterial
2 erste Vorrichtung, Schneidvorrichtung
3 Vielzahl von Einzellagen, Einzellage
4 zweite Vorrichtung, Streuvorrichtung
5 Binder
6 dritte Vorrichtung, Legevorrichtung
7 Gebinde
8 Vielzahl von Faservorformlingen, Faservorformling
9 vierte Vorrichtung, hydraulische Presse
10 Kontaktheizung
1 1 Stanzvorrichtung
12 weitere Vorrichtung
13 Schneidwerkzeug, Messer
14 Sonotrode
15 gemeinsame Werkzeughalterung
16 Kontaktwalze
17 Ultraschallquelle
18 Ultraschallquelle
19 Halterung
20 Bereitstellen von trockenem und textilem Fasermaterial
21 Konfektionieren des Fasermaterials
22 Versehen der Vielzahl von Einzellagen mit einem Binder
23 Schichten der Vielzahl von Einzellagen zu einem Gebinde
24 Formgebung des Gebindes durch Pressen
25 Aktivieren des Binders
26 Vereinzelung der Vielzahl miteinander verbundenen Faservor formlingen
27 gleichzeitige Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbun denen Faservorformlingen sowie Aktivierung des Binders ein ei nem gemeinsamen Prozessschritt
28 Übergabe der vereinzelten Faservorformlinge

Claims

ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 PFriedrichshafen 2019-03-13 Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines Faservorformlings (8), wobei mindestens ein tro ckenes und textiles Fasermaterial (1 ) bereitgestellt wird (20), wobei das Fasermateri al (1 ) in eine Vielzahl von Einzellagen (3) konfektioniert wird (21 ), wobei die Vielzahl von Einzellagen (3) mit einem Binder (4) versehen wird (22), wobei die Vielzahl von Einzellagen (3) zu einem Gebinde (7) geschichtet wird (23) und wobei durch Pressen des Gebindes (7) eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geformt wird (24),
dadurch gekennzeichnet, dass eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander ver bundenen Faservorformlingen (8) und eine Aktivierung des Binders (5) ein einem gemeinsamen Prozessschritt erfolgen (27).
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass im gemeinsamen Prozessschritt zusätzlich durch Pressen des Gebindes (7) die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorform lingen (8) geformt wird (24).
3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (1 ) Kohlenstoffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern umfasst.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Einzellagen (3) vor einem Schichten zum Gebinde (7) hinsichtlich einer Faserorientierung jeder Einzellage (3) ausgerich tet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Binders (5) durch Wärmezufuhr erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr mittels Ultraschall und/oder mittels Wärmeleitung erfolgt. ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019-03-13
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr mittels Ultraschall über mindestens eine Sonotrode (14) erfolgt, wobei die mindestens eine Sonotrode (14) entweder kontinuierlich über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geführt wird oder in regelmäßigen Abständen an die Vielzahl von miteinander ver bundenen Faservorformlingen (8) angelegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezufuhr mittels Wärmeleitung über mindes tens eine Kontaktwalze (16) erfolgt, wobei die Kontaktwalze (16) beheizt wird und über die Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) geführt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinzelung der Vielzahl von miteinander ver bundenen Faservorformlingen (8) mittels eines Schneidvorgangs erfolgt, wobei der Schneidvorgang über ein mittels Ultraschall zu einem Schwingvorgang angeregtes Schneidwerkzeug (13) erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingvorgang bei Frequenzen zwischen 20 kHz und 40 kHz liegt erfolgt
11. System zum Erzeugen eines Faservorformlings (1 ), umfassend eine erste Vor richtung (2), die zum Konfektionieren von bereitgestelltem, trockenem und textilem Fasermaterial (1 ) in eine Vielzahl von Einzellagen (3) ausgebildet ist, eine zweite Vorrichtung (4), die zum Versehen der Vielzahl von Einzellagen (3) mit einem Binder (5) ausgebildet ist und eine dritte Vorrichtung (6), die zum Schichten eines Gebindes (7) aus der Vielzahl von Einzellagen (3) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das System eine weitere Vorrichtung (12) umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine Vereinzelung der Vielzahl von miteinander verbunde nen Faservorformlingen (8) und eine Aktivierung des Binders (5) ein einem gemein samen Prozessschritt auszuführen. ZF WO 2020/1829483n A^ PCT/EP2020/056675 P
Friedrichshafen 2019-03-13
12. System nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung zusätzlich dazu ausgebildet ist eine Vielzahl von miteinander verbundenen Faservorformlingen (8) durch Pressen des Gebindes (7) zu formen.
13. System nach mindestens einem der Ansprüche 11 und 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung (12) ein ultraschallbeauf- schlagbares Schneidwerkzeug (13) und eine Sonotrode (14) umfasst, wobei das ult- raschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug (13) und die Sonotrode (14) auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung (15) fest angeordnet sind.
14. System nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug (13) und die Sonotrode (14) von einer gemeinsamen Ultraschallquelle ultraschallbe aufschlagt werden.
15. System nach mindestens einem der Ansprüche 11 und 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Vorrichtung (12) ein ultraschallbeauf- schlagbares Schneidwerkzeug (13) und eine beheizbare Kontaktwalze (16) umfasst, wobei das ultraschallbeaufschlagbare Schneidwerkzeug (13) und die beheizbare Kontaktwalze (16) auf einer gemeinsamen Werkzeughalterung (15) fest angeordnet sind.
16. System nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktwalze (16) elektrisch beheizbar ist.
17. System nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass das System dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
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