WO2015118063A1 - Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats - Google Patents

Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats Download PDF

Info

Publication number
WO2015118063A1
WO2015118063A1 PCT/EP2015/052402 EP2015052402W WO2015118063A1 WO 2015118063 A1 WO2015118063 A1 WO 2015118063A1 EP 2015052402 W EP2015052402 W EP 2015052402W WO 2015118063 A1 WO2015118063 A1 WO 2015118063A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tape
tapes
tape structure
binder
juxtaposed
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/052402
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Graf
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
Priority to EP15702781.4A priority Critical patent/EP3102393A1/de
Publication of WO2015118063A1 publication Critical patent/WO2015118063A1/de

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B29C35/0261—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould using ultrasonic or sonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • 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
    • B29C70/30—Shaping 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
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/386—Automated tape laying [ATL]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • 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
    • B29C70/30—Shaping 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
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
    • B29C70/386—Automated tape laying [ATL]
    • B29C70/388—Tape placement heads, e.g. component parts, details or accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • 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
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/20—Fibrous 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.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats (90) und eine zugehörige Tapelegevorrichtung (1). Die Erfindung für das Verfahren besteht in der Durchführung der nachfolgenden Verfahrensschritte: 1. Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape (93) an eine Ablegeeinrichtung (20); 2. 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 3. Steuern des Erhalts eines konsolidierten Laminats (90) durch: - 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; - 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); und - 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).

Description

TAPELEGEVORRICHTUNG SOWIE VERFAHREN ZUM AUFBAU EINES LAMINATS
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Bei den „Fasern“ handelt es sich insbesondere um Kohlenstofffasern, ist aber in gleicher Weise auch für Glasfasern oder andere, insbesondere künstlich hergestellte, Fasern anwendbar.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 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 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.
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.
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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung gestattet vorteilhaft den Aufbau und das Konsolidieren eines Laminats mit hohen Legeraten und mit einer für serientaugliche Anwendungen interessanter Geschwindigkeit.
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.
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.
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.
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.
Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
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.
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).
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.
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).
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.
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).
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.
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.
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.
Die Fig. 13 bis 20 zeigen nun die mehrspurigen Abfolgen analog zu den Figuren 2 bis 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.
Fig. 22 zeigt eine mittels einer Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung abgelegten Tapestruktur 91 aus neben- und aufeinander abgelegtem 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.
Die nötige Wärme wird durch eine hochfrequente mechanische Schwingung erreicht, welche zwischen den Bauteilen durch Molekular- und Grenzflächenreibung entsteht.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung gestattet vorteilhaft den Aufbau und das Konsolidieren eines Laminats 90 mit hohen Legeraten und mit einer für serientaugliche Anwendungen interessanter Geschwindigkeit.
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.
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.
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

Claims (15)

  1. Verfahren zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats (90) für beispielsweise Automobilbauteile mittels einer Tapelegevorrichtung (1), gekennzeichnet durch:
    a) ein Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape (93) an eine Ablegeeinrichtung (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:
    - 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;
    - 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); und
    - 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).
  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.
  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.
  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.
  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.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens mehrere Tapes (93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …) simultan gehandhabt werden.
  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:
    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).
  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.
  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.
  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.
  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.
  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).
  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.
  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.
  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.
PCT/EP2015/052402 2014-02-05 2015-02-05 Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats WO2015118063A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP15702781.4A EP3102393A1 (de) 2014-02-05 2015-02-05 Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014101445.6A DE102014101445A1 (de) 2014-02-05 2014-02-05 Tapelegevorrichtung sowie Verfahren zum Aufbau eines Laminats
DE102014101445.6 2014-02-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015118063A1 true WO2015118063A1 (de) 2015-08-13

Family

ID=52450119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/052402 WO2015118063A1 (de) 2014-02-05 2015-02-05 Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3102393A1 (de)
DE (1) DE102014101445A1 (de)
WO (1) WO2015118063A1 (de)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT517938B1 (de) 2015-11-16 2017-06-15 Fill Gmbh Fertigungsanlage zum Legen von Faserbändern
DE102016110568A1 (de) * 2016-06-08 2017-12-14 Wemhöner Surface Technologies GmbH & Co. KG Verfahren und Vorrichtung zum Fixieren übereinander positionierter Schichten flächigen Materials
DE102016116799A1 (de) 2016-09-08 2018-03-22 Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau Tapelegevorrichtung und Tapelegeverfahren zum simultanen Legen von Tapes mit variablem Abstand
DE102016119902A1 (de) * 2016-10-19 2018-04-19 Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau Legetisch zur Aufnahme eines Materials
DE102017215624A1 (de) 2017-09-05 2019-03-07 Technische Universität Dresden Verfahren zur Herstellung von Faserverbundhalbzeugen oder Faserverbundbauteilen, Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundhalbzeugen oder Faserverbundbauteilen
AT519766B1 (de) 2017-09-08 2018-10-15 Fill Gmbh Fertigungsanlage zum Legen von Faserbändern
US11958241B2 (en) 2021-08-12 2024-04-16 Northrop Grumman Systems Corporation Ultrasonic device for compaction allowing coordinated actuation and motion of multiple ultrasonic compaction horns

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002032664A1 (en) * 2000-10-19 2002-04-25 Foster-Miller, Inc. Ultrasonic method of fabricating a thermosetting matrix fiber-reinforced composite structure and the product thereof
US20080023130A1 (en) * 2006-07-31 2008-01-31 Airbus Espana, S.L. Tool and process for manufacturing pieces of composite materials outside an autoclave
WO2009130087A1 (de) * 2008-04-24 2009-10-29 Airbus Operations Gmbh Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats
US20130149491A1 (en) * 2011-12-07 2013-06-13 E I Du Pont De Nemours And Company Composite article made with unidirectional fibre reinforced tape

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002009935A1 (en) 2000-07-28 2002-02-07 Hypercar, Inc. Process and equipment for manufacture of advanced composite structures

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002032664A1 (en) * 2000-10-19 2002-04-25 Foster-Miller, Inc. Ultrasonic method of fabricating a thermosetting matrix fiber-reinforced composite structure and the product thereof
US20080023130A1 (en) * 2006-07-31 2008-01-31 Airbus Espana, S.L. Tool and process for manufacturing pieces of composite materials outside an autoclave
WO2009130087A1 (de) * 2008-04-24 2009-10-29 Airbus Operations Gmbh Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats
US20130149491A1 (en) * 2011-12-07 2013-06-13 E I Du Pont De Nemours And Company Composite article made with unidirectional fibre reinforced tape

Also Published As

Publication number Publication date
EP3102393A1 (de) 2016-12-14
DE102014101445A1 (de) 2015-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2015118063A1 (de) Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats
WO2015118068A1 (de) Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats
AT514721B1 (de) Formgebungsanlage zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbundes
EP3033218B1 (de) Verfahren zur herstellung eines bauteils aus organoblechen
DE102013021642B4 (de) Verfahren zur automatisierten Herstellung einer räumlichen Struktur aus faserverstärktem Kunststoff und Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens
EP2822754B1 (de) Querablegen von fasern
EP2874800B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung von faserverstärkten kunststoffbauteilen
WO2018046558A1 (de) Tapelegevorrichtung und tapelegeverfahren mit verschwenkbarer schneideinrichtung
EP2803475A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Faservorformlings für ein Faserverbundbauteil
EP3529185A1 (de) Tapelegevorrichtung und tapelegeverfahren zum flexiblen und schnellen legen von tapes mit unterschiedlicher breite
EP2631049B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer Halbzeug-Bahn
DE202014100513U1 (de) Tapelegevorrichtung zum Aufbau eines Laminats
WO2013139834A1 (de) Verfahren zum thermoplastischen tapelegen, die verwendung eines tapes sowie ein tape
EP2631050B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Verbundwerkstoffs
EP3463825A1 (de) Verfahren zum herstellen eines bauteils aus einem faserverbundwerkstoff
DE202014100515U1 (de) Tapelegevorrichtung zum Aufbau eines Laminats
DE2822256A1 (de) Verfahren zur herstellung eines laminates aus zwei materialbahnen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens
WO2018078141A1 (de) Verfahren und tapelegevorrichtung zum aufbau eines laminats im zuge der herstellung von vorformlingen
DE202016106067U1 (de) Tapelegevorrichtung zum Aufbau eines Laminats im Zuge der Herstellung von Vorformlingen
DE202014100514U1 (de) Tapelegevorrichtung zum Aufbau eines Laminats
WO2015118065A1 (de) Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats
EP3257663B1 (de) Verfahren zum herstellen von halbzeugen für faser-kunststoff-verbundbauteile
DE102013014224A1 (de) Werkstoff aus einem mehrschichtigen Faserkunststoffverbund sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Werkstoffs
DE202017105285U1 (de) Tapelegevorrichtung mit selektiver Einschneideeinrichtung
EP2623301A1 (de) Verdichtungsvorrichtung und Verwendungsverfahren dafür

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15702781

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2015702781

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2015702781

Country of ref document: EP