WO2015118068A1

WO2015118068A1 - Tapelegevorrichtung sowie verfahren zum aufbau eines laminats

Info

Publication number: WO2015118068A1
Application number: PCT/EP2015/052410
Authority: WO
Inventors: Matthias Graf
Original assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2015-08-13
Also published as: EP3102395A1; DE102014101447A1

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: a) Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape (93) an eine Ablegeeinrichtung (20); b) Ablegen von Tape (93) mittels der Ablegeeinrichtung (20); wobei nebeneinander abgelegtes Tape (93) eine Tapelage (92) einer Tapestruktur (91) definiert; und c) Steuern des Erhalts eines konsolidierten Laminats (90) durch: Heranführen von auf die oberste Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) abgelegtem Tape (93) an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) oder umgekehrt; sukzessives Plastifizieren in den aneinandergrenzenden Fügezonen (95) von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) herangeführtem Tape (93) und der dieses Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91 ); und ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen (95) von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) herangeführtem Tape (93) und der dieses Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91); wobei in zumindest einer Abfolge des Verfahrens - während der Ablage von abzulegendem Tape (93) mittels der Ablegeeinrichtung (20) auf die oberste Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape (93) simultan konsolidiert wird.

Description

TAPELEGEVORRICHTUNG SOWIE VERFAHEN 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 11 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; wobei nebeneinander abgelegtes Tape eine Tapelage einer Tapestruktur definiert; und
c) ein Steuern des Erhalts eines konsolidierten Laminats durch:
aa) ein Heranführen von auf die oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur abgelegtem Tape an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung oder umgekehrt;
bb) ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführtem Tape und der dieses Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur; und
cc) ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführtem Tape und der dieses Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur;
wobei - in zumindest einer Abfolge des Verfahrens - während der Ablage von abzulegendem Tape mittels der Ablegeeinrichtung auf die oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape simultan konsolidiert wird.

Indem erfindungsgemäß die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen von an die Ultraschall-Anregungs-einrichtung herangeführtem Tape und der dieses Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur plastifiziert und konsolidiert werden, kann – in zumindest einer Abfolge des Verfahrens – während der Ablage von abzulegendem Tape mittels der Ablegeeinrichtung auf die oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape simultan konsolidiert werden.

Indem – in zumindest einer Abfolge des Verfahrens – während der Ablage von abzulegendem Tape mittels der Ablegeeinrichtung auf die oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape simultan 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 der Oberfläche der aneinandergrenzenden Fügezone von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführtem Tape erfolgt.

Indem die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe zumindest in der jeweils der Ultraschall-Anregungseinrichtung zugewandten Seite bzw. Oberfläche von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführtem Tape 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 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 aneinandergrenzenden Fügezonen von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführtem Tape sondern auch in der dieses Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten 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 zumindest in der das Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur über dessen Dicke hinweg erfolgen.

In Weiterbildung dessen kann in einer bevorzugten Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe auch in Tapelagen unterhalb der das Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur ausschließlich in den Oberflächen der aneinandergrenzenden Fügezonen und/oder über deren Dicke hinweg erfolgen. In jedem Fall sollte jedoch die unterste 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 zum Vorteil, das den Abfolgen aa) bis cc) in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens mehrmals die Abfolge b), also ein mehrlagiges Ablegen von zugeführtem Tape mittels der Ablegeeinrichtung vorausgehen kann, wenn – vorzugsweise ein jedes – auf die oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur abgelegtes Tape mit der dieses Tape tragenden obersten Tapelage vorfixiert wird. Das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe mehrlagig abgelegter vorfixierter Tapes kann dann wie zuvor beschrieben erfolgen: also ausschließlich in den Oberflächen der aneinandergrenzenden Fügezonen und/oder über deren Dicke hinweg.

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 Abfolge entsprechend X (für die Anzahl mehrspurig gehandhabter Tapes) multipliziert.

Insbesondere ist in einer Ausgestaltung des Verfahrens bevorzugt, wenn in einer Abfolge des Verfahrens zwei oder mehrere simultan abzulegende Tapes um die Breite B eines abzulegenden Tapes zueinander beabstandet abgelegt werden.

Dies hat zum Vorteil, das Ablegeeinrichtungen und Ultraschall-Anregungseinrichtungen in mehrfach wechselnder Folge benachbart zueinander angeordnet und simultan arbeiten können:

So lassen sich in einer weiteren bevorzugten Abfolge des Verfahrens im Anschluss der Ablage erster simultan auf Abstand abgelegter Tapes die Lücken zwischen auf Abstand abgelegter Tapes durch Ablage weiterer, vorzugsweise ebenfalls simultan, abzulegender Tapes zu einer geschlossenen Tapelage aufgefüllt werden.

Insbesondere aber können gemäß einer erfindungsgemäß bevorzugten Abfolge des Verfahrens während der Ablage weiterer abzulegender Tapes in die von simultan abgelegten Tapes belassenen Lücken diese dazu benachbarte Tapes simultan konsolidiert werden.

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; 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 auf die oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur abgelegtem Tape an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung oder umgekehrt;
bb) eine Ultraschall-Anregungseinrichtung für ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführtem Tape und der dieses Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur; und
cc) eine Konsolidierungseinrichtung für ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung herangeführtem Tape und der dieses Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur;
wobei die Steuereinrichtung weiterhin dergestalt eingerichtet ist, dass - in zumindest einer Abfolge des Verfahrens - während der Ablage von abzulegendem Tape mittels der Ablegeeinrichtung auf die oberste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape simultan konsolidiert wird.

In einer 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.

Insbesondere ist bevorzugt, wenn zwei oder mehrere benachbarte Legebalken jeweils um die Breite B eines abzulegenden Tapes zueinander beabstandet angeordnet sind. Dies hat zum Vorteil, dass die zwei oder mehreren Legebalken der Ablegeeinrichtung in mehrfach wechselnder Folge benachbart zu Ultraschall-Anregungseinrichtungen der Konsolidierungseinrichtungen angeordnet und simultan arbeiten können.

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 durch großflächige Ultraschall-Anregungseinrichtungen gebildet ist, welche vorzugsweise in zu einem jeden Legebalken benachbart angeordnetem Gleitschuh angeordnet sind und 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.

Indem 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 (90) 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 23 die einzelnen Verfahrensschritte zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats mittels einer mehrspurig arbeitenden Tapelegevorrichtung nach der Erfindung; und
Fig. 24 Details eines Gleitschuhs aus den Fig. 1 bis 23 in einer vergrößerten Seitenansicht.

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; 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:
aa) eine Führungseinrichtung 40 für das Heranführen von auf die oberste Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 abgelegtem Tape 93 an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 oder umgekehrt;
bb) eine Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 für ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen 95 von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführtem Tape 93 und der dieses Tape 93 tragenden obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91; und
cc) eine Konsolidierungseinrichtung 60 für ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen 95 von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführtem Tape 93 und der dieses Tape 93 tragenden obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91;
wobei die Steuereinrichtung 30 weiterhin dergestalt eingerichtet ist, dass - in zumindest einer Abfolge des Verfahrens - während der Ablage von abzulegendem Tape 93 mittels der Ablegeeinrichtung 20 auf die oberste Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape 93 simultan konsolidiert wird.

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. Erkennbar ist, wie in dieser und weiteren Abfolgen des Verfahrens während der Ablage von abzulegendem Tape 93 mittels der Ablegeeinrichtung 20 auf die oberste Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape 93 simultan konsolidiert wird. Dazu ist neben der Ablegeeinrichtung 20 eine Konsolidierungseinrichtung 60 angeordnet, welche eine Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 umfasst. Mittels der Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 erfolgt ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen 95 von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführtem Tape 93 und der dieses Tape 93 tragenden obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91. Simultan dazu sorgt die Konsolidierungseinrichtung 60 für ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen 95 von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführtem Tape 93 und der dieses Tape 93 tragenden obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91.

Fig. 10 zeigt einen Status bei fortgesetzter Abfolge des Verfahrens, wobei hier – analog Fig. 6 – wiederum eine zweite Zuführeinrichtung 10 im Endbereich abgelegter Tapes 93 und/oder Tapelagen 10 vorgesehen ist. Fig. 11 schließlich zeigt vergleichbar zu dem in Fig. 7 dargestellten Legezustand die Situation für zwei aufeinander abgelegte und bereits konsolidierte Tapelagen 92.

Fig. 12 bis 23 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats 90 mittels einer mehrspurig arbeitenden Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung. 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 nebst mehrspuriger Konsolidierungseinrichtung 60 auf.

Die Fig. 13 bis 23 zeigen nun die mehrspurigen Abfolgen analog zu den Figuren 2 bis 11. Insbesondere zeichnet sich in dieser Ausgestaltung eine Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung bevorzugt durch eine Ablegeeinrichtung 20 aus, die eine Vielzahl an Legebalken 21 umfasst, welche vorteilhaft zeitgleich, und vorzugsweise parallel und uniaxial, mehrere Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … einzieht, ggf. wie in Fig. 13 dargestellt in unterschiedlichen Längen, ablängt und ablegt. Durch diese Parallelisierung wird vorteilhaft die Anzahl gelegter Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … pro Takt entsprechend X (für die Anzahl mehrspurig gehandhabter Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …) multipliziert, wobei in den Figuren die Mehrspurigkeit mit X = 5 dargestellt ist.

Damit das zeitgleiche Einziehen, Längen und/oder Legen mehrerer Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … kollisionsfrei erfolgen kann, sind bevorzugt zwei oder mehrere benachbarte Legebalken 21 um die Breite B eines abzulegenden Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … zueinander beabstandet angeordnet. Die Legebalken 21 und damit auch die parallel und zeitgleich abgelegten Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …, haben also jeweils einen Abstand zueinander von einer Tapebreite B.

Wie in Fig. 15 ersichtlich werden im Anschluss der Ablage erster abgelegter Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … die Lücken 94 zwischen zwei Tapes 93a, 93b, … zu einer geschlossenen Tapelage 92 aufgefüllt. Dazu zeichnet sich eine Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung bevorzugt durch eine Ablegeeinrichtung 20 und/oder Legebalken 21 und/oder Legetisch 61 aus, welche wenigstens um die Breite B eines abzulegenden Tapes 93a zur Seite verschiebbar sind. So lassen sich nach dem Ablegen des ersten Tapes 93a oder der ersten X-Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … und seitlichem Verschieben um eine Tapebreite B im nächsten Takt ein weiteres Tapes 93a oder weitere X-Tapes (mit z.B. X=5) 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … auf dem Legetisch 61 ablegen und die Lücken 94 aus dem ersten Takt zu einer geschlossenen Tapelage 93 auffüllen, welche dann der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 entspricht (Fig. 16).

Wie in Fig. 17 ersichtlich werden im Anschluss erster auf der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 abgelegter und vorfixierter Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … die verbleibenden Lücken 94 zwischen zwei Tapes 93a, 93b, … zu einer geschlossenen Tapelage 92 aufgefüllt, d.h. analog in der zuvor beschriebenen Weise abgelegt und vorfixiert.

In der sich daran anschließenden Abfolge des Verfahrens (Fig. 19) folgen ein Heranführen von mit der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 vorfixierten Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … oder daraus gebildeten Tapelage 93 an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung 30 oder umgekehrt.

Mittels der eine Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 erfolgt sodann ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen 95 von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung 50 herangeführtem Tape 93 und der dieses Tape 93 tragenden obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91.

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.

Bei der in Fig. 19 ff. dargestellten Ausgestaltung einer der Tapelegevorrichtung 1 nach der Erfindung hat sich eine Konsolidierungseinrichtung 60 bewährt, welche eine Vielzahl großflächiger Ultraschall-Anregungseinrichtungen 50 umfasst, die im Abstand zwischen zwei Legebalken 21, beispielsweise in einem Gleitschuh 80, angeordnet sind. Insbesondere hat sich zur wirtschaftlichen Durchführung des, vorzugsweise vollflächigen, Verschweißens eine Ausgestaltung bewährt, bei welcher jeweils genau eine Ultraschall-Anregungseinrichtungen 50 auf einer Spur angebracht ist und diese 50 in einem in der Breite B des Tapes 93 gehaltenen Ultraschall-Gleitschuhs 80 angeordnet durch Absenken, Andrücken und axiales Verfahren über die gesamte Tapelänge geführt wird.

Zwischen den bevorzugten X Legebalken 21 sind also bevorzugt beispielsweise X Ultraschall-Anregungseinrichtungen 50 angeordnet. Diese sind individuell oder ggf. gekoppelt in der Legeachse verfahrbar. Nach dem Legen der ersten X Bahnen an Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … und dem seitlichen Versetzen von einer Tapebreite B, können so bevorzugt innerhalb eines Legetaktes und während die nächsten X Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … zum Auffüllen der Lücken 94 gelegt werden, die zuvor gelegten Tapestreifen 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …, über die Ultraschall-Anregungseinrichtungen 50, vollflächig mit der obersten Tapelage 92 der bereits darunter liegenden Tapestruktur 91 plastifiziert und verbunden werden.

Die von den Ultraschall-Anregungseinrichtungen 50 erzeugten Ultraschall-Schwingungen werden dabei, vorzugsweise unter dem Druck der Gleitschuhe 80, auf die mit der oberen Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 zu verbindenden ersten Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … übertragen. Diese erhitzen sich und beginnen zu erweichen, wodurch der Dämpfungskoeffizient ansteigt. Die Zunahme des Dämpfungskoeffizienten führt zu höherer innerer Reibung, was die Temperaturerhöhung beschleunigt.

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 ; 93, 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … bis zum Plastifizieren erhitzt. Fehlt es an einer Fügezone 95 zwischen zwei Tapelagen 92, bleibt eine Verbindung aus (in den Figuren als Kontaktfreiflächen 97 gekennzeichnet). Die Verbindungen dagegen, also die 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.

Sind – wie z.B. in Fig. 19 gezeigt – die ersten Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, … mit der oberen Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 vollständig konsolidiert, können bei dem in Fig. 21 gezeigtem Rückführen der Gleitschuhe 80 zugleich die auf Lücke gelegten Tapes 93a … der Tapelage 93 sukzessive mit Ultraschall-Schwingungen beaufschlagt werden und unter dem Druck der Gleitschuhe 80 mit der oberen Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 verbunden werden.

Durch den vorgeschlagenen Aufbau einer erfindungsgemäß bevorzugten Tapelegevorrichtung 1, werden das Tapelegen und die Konsolidierung in zwei getrennte Prozessschritte aufgespalten, welche vorteilhaft jedoch zeitsparend synchron durchgeführt werden können.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis der sukzessiven konsolidierten Fügezonen 25 zweier Tapelagen 92 wie zuvor beschrieben.

Soweit das aufzubauende Laminat 90 weitere Tapelagen 93 erfordert, können diese – wie zuvor beschrieben, aufgebracht, vorfixiert und konsolidiert werden. Ebenso kann das Laminat 90 – wie in Fig. 23 dargestellt – natürlich auch in seiner Breite ausgebaut werden. Dazu verfährt die Ablegeeinrichtung 20 und/oder die Legebalken 21 und/oder der Legetisch 41 um eine Strecke 2xXxB und es wiederholt sich oben beschriebener Vorgang solange, bis die gesamte Breite des zu legenden Bauteils gelegt ist, wobei diesbezüglich und zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorherige Beschreibung verwiesen sei.

Fig. 24 schließlich zeigt Details eines Gleitschuhs 80 aus den Fig. 1 bis 23 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 iInsbesondere 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.

Indem erfindungsgemäß die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen 95 von an die Ultraschall-Anregungs-einrichtung 50 herangeführtem Tape 93 und der dieses Tape 93 tragenden obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 plastifiziert und konsolidiert werden, kann – in zumindest einer Abfolge des Verfahrens – während der Ablage von abzulegendem Tape 93 mittels der Ablegeeinrichtung 20 auf die oberste Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape 93 simultan konsolidiert werden.

Indem – in zumindest einer Abfolge des Verfahrens – während der Ablage von abzulegendem Tape 93 mittels der Ablegeeinrichtung 20 auf die oberste Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape 93 simultan 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.

Indem 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
21 einzeln arbeitender Legebalken
30 Steuereinrichtung
40 Führungseinrichtung
50 Anregungseinrichtung
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
94 Lücke zwischen zwei abgelegten Tapes 93
95 Fügezonen
96 Oberfläche der Fügezonen
97 Flächenabschnitten
Q Querschnitt
B Breite eines Tapes 93
X Anzahl mehrspurig gehandhabter Tapes 93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …
G Gleitrichtung

Claims

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); 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 auf die oberste Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) abgelegtem Tape (93) an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) oder umgekehrt;

- ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen (95) von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) herangeführtem Tape (93) und der dieses Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91); und

- ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen (95) von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (30) herangeführtem Tape (93) und der dieses Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91);

wobei - in zumindest einer Abfolge des Verfahrens - während der Ablage von abzulegendem Tape (93) mittels der Ablegeeinrichtung (20) auf die oberste Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape (93) simultan konsolidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in der Oberfläche (96) der aneinandergrenzenden Fügezone (95) von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführtem Tape (93) erfolgt.
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) von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführtem Tape (93) und der dieses Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe zumindest in der das Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) über dessen Dicke hinweg erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens das sukzessive Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe auch in Tapelagen (92) unterhalb der das Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) ausschließlich in den Oberflächen (96) der aneinandergrenzenden Fügezonen (95) und/oder über deren Dicke hinweg erfolgt.
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.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens mehrere Tapes (93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …) simultan gehandhabt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens zwei oder mehrere simultan abzulegende Tapes (93a, 93b, …) um die Breite (B) eines abzulegenden Tapes (93a) zueinander beabstandet abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens im Anschluss der Ablage erster simultan auf Abstand abgelegter Tapes (93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …) die Lücken (94) zwischen auf Abstand abgelegter Tapes (93a, 93b, …) durch Ablage weiterer, vorzugsweise ebenfalls simultan, abzulegender Tapes (93) zu einer geschlossenen Tapelage (92) aufgefüllt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer Abfolge des Verfahrens während der Ablage weiterer abzulegender Tapes (93a, 93b, …) in die von simultan abgelegten Tapes (93a, 93b, …) belassenen Lücken (94) dazu benachbarte Tapes (93a, 93b, …) simultan konsolidiert werden.
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); 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 auf die oberste Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) abgelegtem Tape (93) an eine Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) oder umgekehrt;

- eine Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) für ein sukzessives Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen (95) von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführtem Tape (93) und der dieses Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91); und

- eine Konsolidierungseinrichtung (60) für ein sukzessives Zusammenbringen der plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in den aneinandergrenzenden Fügezonen (95) von an die Ultraschall-Anregungseinrichtung (50) herangeführtem Tape (93) und der dieses Tape (93) tragenden obersten Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91);

wobei die Steuereinrichtung (30) weiterhin dergestalt eingerichtet ist, dass - in zumindest einer Abfolge des Verfahrens - während der Ablage von abzulegendem Tape (93) mittels der Ablegeeinrichtung (20) auf die oberste Tapelage (92) einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) zuvor dazu benachbart abgelegtes Tape (93) simultan konsolidiert wird.
Tapelegevorrichtung (1) nach Anspruch 11, 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.
Tapelegevorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere benachbarte Legebalken (21) jeweils um die Breite eines abzulegenden Tapes (93a, 93b, 93c, 93d, 93e, …) zueinander beabstandet angeordnet sind.
Tapelegevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablegeeinrichtung (20) und/oder die Legebalken (21) und/oder ein Legetisch (41) wenigstens um die Breite (B) eines oder einer Gruppe (X) abzulegender Tapes (93a) zur Seite verschiebbar ausgebildet sind.
Tapelegevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Konsolidierungseinrichtung (60) durch großflächige Ultraschall-Anregungseinrichtungen (50) gebildet ist, welche vorzugsweise in einem zu einem jeden Legebalken (21) benachbart angeordnetem Gleitschuh (80) angeordnet sind, welche insbesondere hinsichtlich Konsolidierungsparameter jeweils gesondert mittels einer gesonderten oder der Steuereinrichtung (30) ansteuerbar ausgebildet sind.
Tapelegevorrichtung (1) nach Anspruch 15, 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).
Tapelegevorrichtung (1) nach Anspruch 16, 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.
Tapelegevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, 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.
Tapelegevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, 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.