WO2018234000A1 - Verfahren zum herstellen eines faserverbundbauteils - Google Patents

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WO2018234000A1
WO2018234000A1 PCT/EP2018/064208 EP2018064208W WO2018234000A1 WO 2018234000 A1 WO2018234000 A1 WO 2018234000A1 EP 2018064208 W EP2018064208 W EP 2018064208W WO 2018234000 A1 WO2018234000 A1 WO 2018234000A1
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WO
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roving
layers
matrix material
mixed
tray
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/064208
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Werner Heitz
Arne Schacht
Sebastian Regner
Daniel Kreutz
Christian Paul
Original Assignee
Thyssenkrupp Ag
Thyssenkrupp Presta Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Thyssenkrupp Ag, Thyssenkrupp Presta Ag filed Critical Thyssenkrupp Ag
Publication of WO2018234000A1 publication Critical patent/WO2018234000A1/de

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    • 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
    • B29C70/34—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 and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
    • B29C70/347—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 and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation combined with compressing after the winding of lay-ups having a non-circular cross-section, e.g. flat spiral windings
    • 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
    • B29C70/382—Automated fiber placement [AFP]

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a fiber composite component from a fiber composite material.
  • Such a method is known, for example, from WO 2014/202 324 A1.
  • a continuous fiber bundle a so-called roving
  • a curable matrix material such as a resin soaked.
  • the roving is wrapped along predetermined paths, which run freely in space, around deflecting elements.
  • several layers of the roving are arranged adjacent to one another along the webs, so that together they form a fiber strand of a plurality of endless fiber bundles.
  • the matrix material is cured in an oven, so that a fiber composite component is obtained.
  • the known method for producing a fiber composite component has proven itself in use. However, it has turned out to be disadvantageous that, during winding of the rovings, air pockets are created which remain in the fiber composite component in the hardened state. These air pockets reduce the strength and rigidity of the fiber composite component.
  • the object of the present invention is to increase the mechanical properties of strength and rigidity of the fiber composite component.
  • terial soaked or mixed auxiliary layers of the first roving are arranged adjacent;
  • Roving is a bundle, strand or multifilament yarn of parallel filaments or fibers.
  • a tray shape is formed by the winding of the auxiliary layers impregnated or mixed with the matrix material in the first winding step and the curing of these auxiliary layers.
  • the storage form forms a pressure-resistant base on which further layers of the first roving or a second roving are deposited.
  • the deposited layers are pressed against the tray shape, whereby air inclusions in the matrix material and / or between the layers of the roving are pushed out.
  • the escape of the air inclusions causes the fiber composite component after curing has a lower proportion of trapped air.
  • the strength and rigidity are increased both in tensile but especially in compression stresses of the resulting fiber composite component.
  • the curing of the auxiliary layers by means of thermal energy input, preferably a laser.
  • the auxiliary layers impregnated or mixed with the matrix material can be heated in sections or at specific points in order to harden the matrix material. It is therefore not necessary to spend the wound auxiliary layers together with the deflection elements in a furnace to cure the auxiliary layers. Rather, it is possible to cure the auxiliary layers in a winding device which winds the auxiliary layers. The curing can be done directly at the shelf or after completion of the winding of the auxiliary layers. Alternatively, the auxiliary layers impregnated with the matrix material may already be present during winding be cured.
  • the layers or auxiliary layers are impregnated with a thermosetting or thermoplastic matrix material or mixed with a filament-shaped thermoplastic matrix material or another reinforcing fiber.
  • the roving for forming the auxiliary layers may be composed of a hybrid yarn, which consists in particular of reinforcing fibers and thermoplastic fibers.
  • the storage form is formed by a tool, for example a tool of a winding device.
  • the storage mold forms a pressure-resistant base on which the layers of the rovings soaked or mixed with the curable matrix material are deposited.
  • the deposited layers are pressed against the tray shape, whereby air inclusions in the matrix material and / or between the layers of the roving are pushed out.
  • the tray is removed, i. it is separated from the pressed layers of the roving.
  • a fiber composite component can be obtained which has a lower content of trapped air. As a result, the strength and rigidity are increased both in tensile but especially in compression stresses of the resulting fiber composite component.
  • a pressing tool can be used, for example a plate or a press mold, which is adapted to the outer contour of the fiber composite component to be produced.
  • the pressing of the layers takes place against the storage form during the deposition of the layers on the storage tray.
  • the formation of air bubbles can already be reduced when depositing the layers of the roving.
  • the roving is pressed when depositing against the storage form and possibly already deposited layers of the roving, so that the layers of the roving are packed as closely as possible after pressing.
  • an embodiment has proven to be particularly advantageous in which the pressing of the layers of the roving against the tray shape is effected by a pressure roller over which the roving is unrolled.
  • the pressure roller is preferably arranged on a thread guide element of a winding device, for example on a yarn guide eye.
  • an application device for applying the curable matrix material may be arranged on the roving, for example an injection nozzle.
  • an application device for applying the curable matrix material may be arranged in the region in front of the pressure roller, for example an injection nozzle. Preference is therefore given to applying a curable matrix material before, during and / or after depositing the dry or soaked roving on the tray.
  • the roving is excited when depositing on the tray shape to a mechanical vibration.
  • This can be prevented that the roving deposited unfavorably when depositing, for example, at a bottleneck between already deposited layers de rovings, and thereby air pockets between the Roving and the filing form or between the roving and already deposited layers of the roving arise.
  • the roving can deposit in existing bottlenecks as it is deposited, so that the risk of air inclusions in the fiber composite component is further reduced.
  • the mechanical vibration can be excited by ultrasound.
  • the storage form and / or the deflecting elements can be excited to a mechanical oscillation.
  • Another advantageous embodiment has been found, in which the deposition of the dry or impregnated rovings on the tray in a bath of the curable matrix material.
  • the bath of the curable matrix material can be ensured that the roving is completely surrounded by the matrix material when depositing on the tray so that the risk of creating unwanted air bubbles when depositing the rovings is reduced.
  • the roving can either be soaked or soaked.
  • the impregnated or mixed roving before depositing on the tray shape by a shaping die which may be tempered in particular, out, so that the roving has a defined cross section when placing the roving.
  • a suitable cross section of the roving for example a rectangular, in particular square, cross section, unwanted air pockets between deposited rovings can be reduced.
  • a shaping die with a cross section is preferably selected, which comprises an outer contour with flat surfaces, for example a shaping die with a rectangular, in particular square, cross section.
  • holes are created in the roving before the roving is deposited, so that air trapped in or between the layers of the roving can escape through the holes.
  • the production of the holes can be done via a punch roll, which is equipped with punching elements, such as thorns.
  • punching elements such as thorns.
  • the roving can be guided over the punching roller so that holes are created in the roving as the punching roller rolls off.
  • the punching roller is preferably arranged on a thread guide element of a winding device, for example on a yarn guide eye.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides that the roving during winding over a fixed thread guide element, in particular a festste- Hendes thread eye, is guided and the deflecting elements are moved relative to the thread guide element.
  • the thread guiding element is arranged fixedly in particular in relation to an impregnating device, in which the roving is impregnated, and / or in relation to a rolling coil, from which the roving is unwound.
  • By wrapping the roving air pockets can be forced out of the soaked or mixed roving.
  • a roving structure can be formed in the manner of a thread or in the manner of a Umwindegarns.
  • the roving and the storage form are electrically charged so that they attract each other.
  • the electrostatic attraction between the electrostatically charged roving and the tray can squeeze trapped air between the sheets or inside the roving.
  • the curing of the matrix material takes place at an ambient pressure greater than 1 bar. Due to the increased ambient pressure, air inclusions in deposited layers of the roving can be compressed so that air pockets in the cured fiber composite component are reduced.
  • the ambient pressure in the range between 1 bar and 10 bar, more preferably in the range of 2 bar to 7 bar, for example at 5 bar.
  • a preferred embodiment provides that the curing takes place in a liquid bath. Due to the liquid bath, an increased pressure on the deposited layers of the roving can be exerted, so that air pockets are compressed. Particularly preferably, the deposited layers of the roving are coated prior to introduction into the liquid bath with a coating which prevents penetration of the liquid of the liquid bath into the deposited layers of the roving.
  • the curing in one gaseous medium for example in air or under a protective gas atmosphere, take place.
  • an alternative preferred embodiment provides that the curing takes place under reduced pressure, in particular a vacuum, while the impregnated with the matrix material or mixed layers are excited to a mechanical vibration.
  • the excitation of the mechanical vibrations can be done by means of ultrasound.
  • the layers are excited by a tool which holds the layers during curing, for example a winding core having the deflecting elements.
  • the curing preferably takes place in an oven.
  • the winding takes place by means of a winding device, which has a thread guiding device, which is preferably designed as a movable arm, in particular a movable robot arm.
  • the thread guide device preferably has a thread guide element, in particular a thread guide eye, through which the roving is guided.
  • the deflecting elements are preferably arranged on a winding core.
  • the winding core may be fixed.
  • the winding core is arranged on a winding core holder, which is preferably designed as a movable arm, in particular a movable robot arm.
  • FIG. 1 shows a winding core with deflecting elements in a perspective view.
  • FIG. 2 shows a winding device for carrying out the method according to the invention in a perspective view.
  • FIG. 3 shows a storage form, for example As a tool, according to a first embodiment of the invention with deposited layers of a roving in a sectional view perpendicular to the fiber axis of the roving.
  • FIG. 4 shows a storage structure constructed from auxiliary layers according to a second exemplary embodiment of the invention with layers of a roving deposited thereon in a sectional view perpendicular to the fiber axis of the roving.
  • FIG. 5 shows the depositing of a roving according to a first embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 6 shows the laying down of a roving according to a second embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 7 shows the laying down of a roving according to a third embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 8 shows a matrix for adjusting the cross-section of a roving prior to depositing.
  • FIG. 9 shows the depositing under electrical charging of the roving and the storage mold.
  • FIG. 10 shows a roving with a partially wrapped further roving.
  • Figure 1 shows a winding core 1 1 for producing a fiber composite component according to a method according to the invention.
  • deflecting elements 12, 121 are arranged, around which a soaked or mixed roving can be wound.
  • a plurality of functional elements 13 are further arranged, which can also be wrapped during winding in order to intervene in the fiber composite component to be produced.
  • the functional elements 13 may be metal elements.
  • the winding core 1 1, in particular the deflecting elements 12, 121 are removed after winding.
  • the functional elements 13, however, remain after winding in the component and form parts of the fiber composite component.
  • interfaces and functional surfaces can be incorporated into the fiber composite be integrated component that can be produced only with great effort or not by winding.
  • FIG. 2 shows a winding device 1 with which the methods according to the invention can be carried out.
  • the winding device 1 has a thread guide device 17, which is designed as a movable robot arm.
  • a thread guide element is provided, through which the impregnated roving 14 (the endless fiber bundle) is guided and kept under tension.
  • the thread guide element is designed as Faden arrangement.
  • the dry roving 14 is unrolled by a spindle 15 and initially passed through an impregnation device 16, in which the dry roving 14 is impregnated with a curable matrix material.
  • the winding core 1 1 with the deflection elements 12, 121 is held by a winding core holder 18, which is likewise designed as a movable robot arm.
  • a winding core holder 18 which is likewise designed as a movable robot arm.
  • This circumstance is illustrated in the illustration in FIG. 2 in that a second position of the winding core holder 18 'is shown with a winding core 1 1' arranged at a different position in space.
  • the roving 14 is guided during winding over a stationary thread guide element, in particular a stationary thread eye.
  • a stationary thread guide element in particular a stationary thread eye.
  • the thread guiding device 17 is stationary and the winding core holder 18 is movable in order to move the deflecting elements 12, 121 relative to the thread guiding element.
  • a form designed as a tool tray 19 is provided.
  • the storage mold 19 may for example be part of the winding core 1 1 or be connected to this.
  • the roving 14 impregnated or mixed with the curable matrix material is wound around the deflecting elements 12, 121 fixed relative to one another, so that along a predetermined path between two deflecting elements 12, 121 several layers 21 of the roving soaked or mixed with the curable matrix material 14 are arranged adjacent, which are stored on the tray 19.
  • the deposited on the tray 19 layers 21 of the rovings 14 are pressed against the tray 19 to air inclusions between the layers 21 and possibly.
  • the force effect by the pressing is indicated in the illustration in Figure 3 by an arrow.
  • the tray 19 After pressing and before or after the curing of the matrix material, the tray 19 is removed. In a storage mold 19 connected to the winding core 1 1, this means that the storage mold 19 is separated from the winding core 11. Before or after removal of the tray 19, the matrix material is cured to obtain the fiber composite component.
  • the fiber composite component obtained after curing has a lower content of entrapped air, so that the strength and the rigidity are increased both in the case of tensile but especially under compressive stresses of the fiber composite component.
  • the tray 20 is not formed by a tool, but by a wound and cured roving 14, which forms part of the fiber composite component produced.
  • the same roving 14 can be used, which is also used to form the remaining layers of the fiber composite component.
  • a first with a curable matrix material drinker or mixed roving 14 to relatively fixed deflecting elements 12, 121 is wound, so that along a predetermined path between two deflecting elements 12, 121 more soaked with the matrix material or mixed auxiliary layers 22 of the roving 14 are arranged adjacent.
  • the auxiliary layers 22 soaked or mixed with the matrix material are cured to form a tray 20.
  • the curing of the auxiliary layers 22 is preferably carried out by means of a laser. Alternatively, the curing of the auxiliary layers 22 may be done in an oven.
  • the roving 14 or possibly another roving is wound around the deflecting elements 12, 121, so that along the predetermined path between the deflecting elements 12, 121 several layers 21 of the roving 14 or several layers of the other roving are deposited on the depositing mold 20.
  • the deposited on the tray 20 layers 21 are pressed against the tray 20 to reduce air pockets between the layers 21 and possibly within the roving 14.
  • the curing of the matrix material takes place in order to obtain the fiber composite component.
  • the pressing of the layers against the storage mold can take place after the completion of the winding.
  • a pressing tool can be used, for example a plate or a press mold, which is adapted to the outer contour of the fiber composite component to be produced.
  • the pressing of the layers 21 against the tray 19, 20 during the deposition of the layers 21 on the tray 19, 20 done.
  • a pressure roller can be used, which is provided on the thread guide element of the winding device 1.
  • an application device 3 for applying the curable matrix material 4 to the roving 14 is additionally arranged in the region of the pressure roller 2.
  • the application device 3 is designed as an injection nozzle.
  • the curable matrix material 4 can be applied directly after the pressing of the roving 14 against the deposit form in order to impregnate the roving.
  • an impregnation device 16 as shown in FIG. 2, can optionally be dispensed with.
  • an application device 3 for applying the curable matrix material 4 in front of the roving 14 is alternatively or additionally arranged in front of the region of the pressure roller 2.
  • the application device 3 is designed as an injection nozzle.
  • Application device 3 provided in front of the area of pressure roller 2 can be applied to the curable matrix material 4 directly before the roving 14 is deposited and pressed against the storage mold, wherein the air can escape and the roving is enveloped airtight by the matrix material.
  • an impregnation device 16 as shown in FIG. 2, can optionally be dispensed with.
  • a punching roller 5 is arranged on the thread guiding element and is equipped with punching elements 6, for example with spikes. Holes can be created in the roving 14 via the punching roller 5 before, during or after the roving is deposited, which facilitate the escape of air from the roving.
  • the cross section of the roving 14 can be set defined before depositing.
  • FIG. 8 shows a shaping die 7, which can be tempered, through which the impregnated or mixed roving 14 can be guided onto the deposit form 19, 20 before depositing.
  • the die has a rectangular, in particular square, cross-section. Other cross sections are also conceivable.
  • the roving 14 when depositing on the tray 19, 20 are excited to a mechanical vibration. Furthermore, the laying of the rovings 14 on the tray 19, 20 can take place in a bath of the curable matrix material. Furthermore, it is conceivable that the impregnated or mixed roving 14 before or during winding with a further roving, in particular partially wrapped ( Figure 10) to compress the soaked or mixed roving 14.
  • a further modification of the method provides that the roving 14 and the tray 19, 20 are electrically charged so that they attract each other (Figure 9).
  • curing of the matrix material can take place at an ambient pressure of greater than 1 bar, in particular in a liquid bath.
  • the curing can be carried out under reduced pressure, in particular a vacuum, while the layers impregnated with the matrix material are excited to a mechanical oscillation.
  • the storage form 19, 20 forms a pressure-resistant base on which the layers 21 of the rovings 14 impregnated or mixed with the curable matrix material are deposited.
  • the deposited layers 21 are pressed against the tray 19, 20, whereby air inclusions in the matrix material and / or between the layers 21 of the roving 14 are pushed out.
  • the storage mold 19 is designed as a tool, it is removed before or after the curing of the matrix material, ie it is separated from the pressed layers 21 of the roving 14.
  • the deposit form 20 is formed by curing a roving 14 soaked in or mixed in matrix material, then it remains in contact with the deposited layers 21 on it.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit folgenden Verfahrensschritten: - Wickeln eines mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten ersten Rovings um relativ zueinander feststehende Umlenkelemente, so dass entlang einer vorgegebenen Bahn zwischen zwei Umlenkelementen mehrere mit dem Matrixmaterial getränkte Hilfs-Lagen des ersten Rovings benachbart angeordnet sind; - Aushärten der mit dem Matrixmaterial getränkten oder gemischten Hilfs-Lagen in der vorgegebenen Bahn, um eine Ablageform zu bilden, - Wickeln des mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten ersten Rovings oder mindestens eines mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten zweiten Rovings um die Umlenkelemente, so dass entlang der vorgegebenen Bahn zwischen den Umlenkelementen mehrere Lagen des ersten Rovings oder mehrere Lagen des zweiten Rovings auf der Ablageform abgelegt werden, - Pressen der Lagen gegen die Ablageform, um Lufteinschlüsse zwischen den Lagen zu reduzieren; - Aushärten des Matrixmaterials, um das Faserverbundbauteil zu erhalten.

Description

BESCHREIBUNG
Titel
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der WO 2014/202 324 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Endlosfaserbündel, ein sogenannter Roving, zunächst mit einem aushärtbaren Matrixmaterial, beispielsweise einem Harz, getränkt. Der Roving wird entlang vorgegebener Bahnen, die frei im Raum verlaufen, um Umlenkelemente gewickelt. Hierbei werden entlang der Bahnen mehrere Lagen des Rovings benachbart angeordnet, so dass diese zusammen einen Faserstrang aus mehreren Endlosfaserbündeln bilden. Nach dem Wickeln wird das Matrixmaterial in einem Ofen ausgehärtet, so dass ein Faserverbundbauteil erhalten wird.
Das bekannte Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils hat sich im Einsatz bewährt. Allerdings hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass beim Wickeln des Rovings Lufteinschlüsse entstehen, die im ausgehärteten Zustand in dem Faserverbundbauteil verbleiben. Diese Lufteinschlüsse reduzieren die Festigkeit und Steifigkeit des Faserverbundbauteils.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mechanischen Eigenschaften Festigkeit und Steifigkeit des Faserverbundbauteils zu erhöhen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:
- Wickeln eines mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten ersten Rovings um relativ zueinander feststehende Umlenkelemente, so dass entlang einer vorgegebenen Bahn zwischen zwei Umlenkelementen mehrere mit dem Matrixma- terial getränkte oder gemischte Hilfs-Lagen des ersten Rovings benachbart angeordnet sind;
- Aushärten der mit dem Matrixmaterial getränkten oder gemischten Hilfs-Lagen in der vorgegebenen Bahn, um eine Ablageform zu bilden,
- Wickeln des mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten ersten Rovings oder mindestens eines mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten zweiten Rovings um die Umlenkelemente, so dass entlang der vorgegebenen Bahn zwischen den Umlenkelementen mehrere Lagen des ersten Rovings oder mehrere Lagen des zweiten Rovings auf der Ablageform abgelegt werden,
- Pressen der Lagen gegen die Ablageform, um Lufteinschlüsse zwischen den Lagen zu reduzieren;
- Aushärten des Matrixmaterials, um das Faserverbundbauteil zu erhalten.
Als Roving wird ein Bündel, Strang oder Multifilamentgarn aus parallel angeordneten Filamenten (Endlosfasern) oder Fasern bezeichnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch das Wickeln der mit dem Matrixmaterial getränkten oder gemischten Hilfs-Lagen in dem ersten Wickelschritt und das Aushärten dieser Hilfs-Lagen zunächst eine Ablageform gebildet. Die Ablageform bildet eine druckfeste Unterlage, auf weicher weitere Lagen des ersten Rovings oder eines zweiten Rovings abgelegt werden. Die abgelegten Lagen werden gegen die Ablageform gepresst, wobei Lufteinschlüsse in dem Matrixmaterial und/oder zwischen den Lagen des Rovings herausgedrückt werden. Das Entweichen der Lufteinschlüsse führt dazu, dass das Faserverbundbauteil nach dem Aushärten einen geringeren Anteil an eingeschlossener Luft aufweist. Hierdurch werden die Festigkeit und die Steifigkeit sowohl bei Zug- aber vor allem bei Druckbeanspruchungen des erhaltenen Faserverbundbauteils erhöht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Aushärten der Hilfs-Lagen mittels thermischer Energieeinbringung, vorzugsweise eines Lasers. Mittels des Lasers können die mit dem Matrixmaterial getränkten oder gemischten Hilfs-Lagen abschnittsweise bzw. punktuell erwärmt werden, um das Matrixmaterial auszuhärten. Es ist daher nicht erforderlich, die gewickelten Hilfs-Lagen zusammen mit den Umlenkelementen in einen Ofen zu verbringen, um die Hilfs-Lagen auszuhärten. Vielmehr ist es möglich, die Hilfs-Lagen in einer Wickeleinrichtung auszuhärten, welche die Hilfs-Lagen wickelt. Das Aushärten kann direkt bei der Ablage oder nach dem Abschluss des Wickeins der Hilfs-Lagen erfolgen. Alternativ können die mit dem Matrixmaterial getränkten Hilfs-Lagen bereits während des Wickeins ausgehärtet werden. Bevorzugt sind die Lagen bzw. Hilfs-Lagen mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Matrixmaterial getränkt bzw. mit einem filamentförmigen thermoplastischen Matrixmaterial oder einer weiteren Verstärkungsfaser gemischt. Insbesondere kann der Roving zum Bilden der Hilfs-Lagen aus einem Hybridgarn zusammengesetzt sein, welches insbesondere aus Verstärkungsfasern und Thermoplastfasern besteht.
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:
- Wickeln eines mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten Ro- vings um relativ zueinander feststehende Umlenkelemente, so dass entlang einer vorgegebenen Bahn zwischen zwei Umlenkelementen mehrere mit dem aushärtbaren Matrixmaterial getränkte oder gemischte Lagen des Rovings benachbart angeordnet sind, welche auf einer Ablageform abgelegt werden, wobei die Ablageform als Werkzeug ausgebildet ist;
- Pressen der Lagen gegen die Ablageform, um Lufteinschlüsse zwischen den Lagen zu reduzieren;
- Entfernen der Ablageform wahlweise vor oder nach dem Aushärten
- Aushärten des Matrixmaterials, um das Faserverbundbauteil zu erhalten.
Bei diesem Verfahren wird die Ablageform durch ein Werkzeug, beispielsweise ein Werkzeug einer Wickeleinrichtung, gebildet. Die Ablageform bildet eine druckfeste Unterlage, auf welcher die Lagen des mit dem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten Rovings abgelegt werden. Die abgelegten Lagen werden gegen die Ablageform gepresst, wobei Lufteinschlüsse in dem Matrixmaterial und/oder zwischen den Lagen des Rovings herausgedrückt werden. Vor oder nach dem Aushärten des Matrixmaterials wird die Ablageform entfernt, d.h. sie wird von den gepressten Lagen des Rovings getrennt. Beim nachfolgenden Aushärten kann so ein Faserverbundbauteil erhalten werden, das einen geringeren Anteil an eingeschlossener Luft aufweist. Hierdurch werden die Festigkeit und die Steifigkeit sowohl bei Zug- aber vor allem bei Druckbeanspruchungen des erhaltenen Faserverbundbauteils erhöht.
Nachfolgend sollen vorteilhafte Ausgestaltungen beschrieben werden, welche bei sämtlichen zuvor genannten Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff zum Einsatz kommen können, unabhängig davon, ob die Ablageform durch Hilfs-Lagen eines Rovings oder durch ein Werkzeug gebildet ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Pressen der Lagen gegen die Ablageform nach dem Abschluss des Wickeins. Zum Pressen kann ein Presswerkzeug verwendet werden, beispielsweise eine Platte oder eine Pressform, die an die Außenkontur des herzustellenden Faserverbundbauteils angepasst ist. Somit können unerwünschte Lufteinschlüsse nach dem Wickeln aus dem gewickelten Verbund der Lagen des Rovings herausgedrückt werden.
Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Pressen der Lagen gegen die Ablageform während des Ablegens der Lagen auf der Ablageform. Hierdurch kann das Entstehen von Lufteinschlüssen bereits beim Ablegen der Lagen des Rovings verringert werden. Der Roving wird beim Ablegen gegen die Ablageform und ggf. bereits abgelegte Lagen des Rovings gepresst, so dass die Lagen des Rovings nach dem Pressen möglichst dicht gepackt sind.
In diesem Zusammenhang hat sich eine Ausgestaltung als besonders vorteilhaft erwiesen, bei welcher das Pressen der Lagen des Rovings gegen die Ablageform durch eine Andruckrolle erfolgt, über welche der Roving abgerollt wird. Über die Andruckrolle kann der Roving beim Ablegen gleichzeitig geführt und angedrückt werden. Bevorzugt ist die Andruckrolle an einem Fadenführungselement einer Wickeleinrichtung, beispielsweise an einem Fadenführungsauge angeordnet. Zusätzlich kann im Bereich der Andruckrolle eine Auftragseinrichtung zum Auftragen des aushärtbaren Matrixmaterials auf den Roving angeordnet sein, beispielsweise eine Injektionsdüse. Über die im Bereich der Andruckrolle vorgesehene Auftragseinrichtung kann das aushärtbare Matrixmaterial unmittelbar vor oder nach dem Pressen des Rovings gegen die Ablageform aufgetragen werden, um den Roving zu tränken. Durch den Auftrag des Matrixmaterials unmittelbar nach dem Pressen wird der Vorteil erreicht, dass Luft aus dem noch nicht mit dem Matrixmaterial getränkten Roving einfacher entweichen kann und das Matrixmaterial den Roving luftdicht abdeckt, so dass ein Eintreten von Luft in den abgelegten, gepressten und getränkten Roving auszuschließen ist. Alternativ oder zusätzlich kann im Bereich vor der Andruckrolle eine Auftragseinrichtung zum Auftragen des aushärtbaren Matrixmaterials angeordnet sein, beispielsweise eine Injektionsdüse. Bevorzugt wird daher vor, während und/oder nach dem Ablegen des trockenen oder getränkten Rovings auf der Ablageform ein aushärtbares Matrixmaterial aufgetragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Roving beim Ablegen auf der Ablageform zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass der Roving beim Ablegen, z.B. an einer Engstelle zwischen bereits abgelegten Lagen de Rovings, ungünstig abgelegt und dadurch Lufteinschlüsse zwischen dem Roving und der Ablageform oder zwischen dem Roving und bereits abgelegten Lagen des Rovings entstehen. Durch die Schwingung kann sich der Roving beim Ablegen in bestehende Engstellen so ablegen, so dass die Gefahr von Lufteinschlüssen in dem Faserverbundbauteil weiter verringert wird. Die mechanische Schwingung kann durch Ultraschall angeregt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Ablageform und/oder die Umlenkelemente zu einer mechanischen Schwingung angeregt werden.
Als vorteilhaft hat sich ferner eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher das Ablegen des trockenen oder getränkten Rovings auf der Ablageform in einem Bad aus dem aushärtbaren Matrixmaterial erfolgt. Durch das Bad aus dem aushärtbaren Matrixmaterial kann sichergestellt werden, dass der Roving beim Ablegen auf der Ablageform vollständig von dem Matrixmaterial umgeben ist, so dass die Gefahr des Entstehens von unerwünschten Lufteinschlüssen beim Ablegen der Rovings reduziert wird. Der Roving kann entweder ungetränkt oder getränkt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der getränkte oder gemischte Roving vor dem Ablegen auf die Ablageform durch eine formgebende Matrize, welche insbesondere temperiert sein kann, geführt, so dass der Roving beim Ablegen des Rovings einen definierten Querschnitt aufweist. Durch die Wahl eines geeigneten Querschnitts des Rovings, beispielsweise eines rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitts, können unerwünschte Lufteinschlüsse zwischen abgelegten Rovings reduziert werden. Hierbei wird bevorzugt eine formgebende Matrize mit einem Querschnitt gewählt, der eine Außenkontur mit ebenen Flächen umfasst, beispielsweise eine formgebende Matrize mit rechteckigem, insbesondere quadratischen, Querschnitt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden vor dem Ablegen des Rovings Löcher in dem Roving erzeugt, so dass in oder zwischen den Lagen des Rovings eingeschlossene Luft durch die Löcher entweichen kann. Das Erzeugen der Löcher kann über eine Stanzrolle erfolgen, welche mit Stanzelementen, beispielsweise mit Dornen, bestückt ist. Der Roving kann beim Ablegen über die Stanzrolle geführt werden, so dass beim Abrollen der Stanzrolle Löcher in dem Roving erzeugt werden. Die Stanzrolle ist bevorzugt an einem Fadenführungselement einer Wickeleinrichtung, beispielsweise an einem Fadenführungsauge angeordnet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Roving beim Wickeln über ein feststehendes Fadenführungselement, insbesondere ein festste- hendes Fadenauge, geführt wird und die Umlenkelemente gegenüber dem Fadenführungselement bewegt werden. Das Fadenführungselement ist insbesondere gegenüber einer Imprägniereinrichtung, in welcher der Roving getränkt wird, und/oder gegenüber einer Ro- vingspule, von welcher der Roving abgewickelt wird, feststehend angeordnet. Durch das beim Wickeln feststehende Fadenauge kann verhindert werden, dass sich der Roving durch Bewegungen des Fadenauges, insbesondere gegenüber der Imprägniereinrichtung oder der Rovingspule, unerwünscht umformt. Das bedeutet, dass ein definierter Querschnitt des Ro- vings beim Ablegen auf der Ablageform erhalten werden kann, so dass die Gefahr von Lufteinschlüssen zwischen ungünstig abgelegten Lagen des Rovings reduziert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der getränkte oder gemischte Roving vor oder beim Wickeln mit z. B. einem weiteren trockenen oder getränkten oder gemischten Roving vollständig oder teilweise umwickelt, um insbesondere den getränkten oder gemischten Roving zu komprimieren. Durch das Umwickeln des Rovings können Lufteinschlüsse aus dem getränkten oder gemischten Roving herausgedrückt werden. Durch das Umwickeln mit dem weiteren Roving kann ein Roving-Gebilde nach Art eines Zwirns oder nach Art eines Umwindegarns gebildet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden der Roving und die Ablageform derart elektrisch aufgeladen, dass sie sich gegenseitig anziehen. Die elektrostatische Anziehung zwischen dem elektrostatisch geladenen Roving und der Ablageform kann zwischen den Lagen oder innerhalb des Rovings eingeschlossene Luft herausdrücken.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Aushärten des Matrixmaterials bei einem Umgebungsdruck größer als 1 bar. Durch den erhöhten Umgebungsdruck können Lufteinschlüsse in abgelegten Lagen des Rovings komprimiert werden, so dass Lufteinschlüsse in dem ausgehärteten Faserverbundbauteil reduziert werden. Bevorzugt liegt der Umgebungsdruck im Bereich zwischen 1 bar und 10 bar, besonders bevorzugt im Bereich von 2 bar bis 7 bar, beispielsweise bei 5 bar.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Aushärten in einem Flüssigkeitsbad erfolgt. Durch das Flüssigkeitsbad kann ein erhöhter Druck auf die abgelegten Lagen des Rovings ausgeübt werden, so dass Lufteinschlüsse komprimiert werden. Besonders bevorzugt werden die abgelegten Lagen des Rovings vor dem Einbringen in das Flüssigkeitsbad mit einer Beschichtung beschichtet, welche ein Eindringen der Flüssigkeit des Flüssigkeitsbads in die abgelegten Lagen des Rovings verhindert. Alternativ kann das Aushärten in einem gasförmigen Medium, beispielsweise in Luft oder unter einer Schutzgasatmosphäre, erfolgen.
Eine alternative bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Aushärten bei Unterdruck, insbesondere einem Vakuum, erfolgt, während die mit dem Matrixmaterial getränkten oder gemischte Lagen zu einer mechanischen Schwingung angeregt werden. Die Anregung der mechanischen Schwingungen kann mittels Ultraschall erfolgen. Bevorzugt werden die Lagen über ein Werkzeug angeregt, welches die Lagen beim Aushärten hält, beispielsweise ein die Umlenkelemente aufweisender Wickelkern. Das Aushärten erfolgt bevorzugt in einem Ofen.
Bevorzugt erfolgt das Wickeln mittels einer Wickeleinrichtung, welche eine Fadenführungsvorrichtung aufweist, die bevorzugt als bewegbarer Arm, insbesondere bewegbarer Roboterarm, ausgebildet ist. Die Fadenführungseinrichtung weist bevorzugt ein Fadenführungselement, insbesondere ein Fadenführungsauge auf, durch welches der Roving geführt wird. Die Umlenkelemente sind bevorzugt an einem Wickelkern angeordnet. Der Wickelkern kann feststehend ausgebildet sein. Alternativ ist der Wickelkern an einer Wickelkernhalterung angeordnet, die bevorzugt als bewegbarer Arm, insbesondere bewegbarer Roboterarm, ausgebildet ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Figur 1 zeigt einen Wickelkern mit Umlenkelementen in einer perspektivischen Darstellung.
Die Figur 2 zeigt eine Wickeleinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer perspektivischen Darstellung.
Die Figur 3 zeigt eine Ablageform, z. B. ein Werkzeug, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit darauf abgelegten Lagen eines Rovings in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Faserachse des Rovings. Die Figur 4 zeigt eine Ablageform aufgebaut aus Hilfs-Lagen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit darauf abgelegten Lagen eines Rovings in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Faserachse des Rovings.
Die Figur 5 zeigt das Ablegen eines Rovings gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figur 6 zeigt das Ablegen eines Rovings gemäß einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figur 7 zeigt das Ablegen eines Rovings gemäß einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figur 8 zeigt eine Matrize zur Einstellung des Querschnitts eines Rovings vor dem Ablegen.
Die Figur 9 zeigt das Ablegen unter elektrischer Aufladung des Rovings und der Ablageform. Die Figur 10 zeigt einen Roving mit einem teilweise umwickelten weiteren Roving. Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
Figur 1 zeigt einen Wickelkern 1 1 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils nach einem Verfahren gemäß der Erfindung. An dem Wickelkern 1 1 sind mehrere zueinander feststehende Umlenkelemente 12, 121 angeordnet, um welche ein getränkter oder gemischter Roving gewickelt werden kann. An dem Wickelkern 1 1 sind ferner mehrere Funktionselemente 13 angeordnet, die beim Wickeln ebenfalls umwickelt werden können, um diese in das herzustellende Faserverbundbauteil zu intergieren. Bei den Funktionselementen 13 kann es sich um Metallelemente handeln. Der Wickelkern 1 1 , insbesondere die Umlenkelemente 12, 121 werden nach dem Wickeln entnommen. Die Funktionselemente 13 verbleien hingegen nach dem Wickeln im Bauteil und bilden Teile des Faserverbundbauteils. Über die Funktionselemente 13 können beispielsweise Schnittstellen und Funktionsflächen in das Faserverbund- bauteil integriert werden, die nur mit hohem Aufwand oder gar nicht durch Wickeln herstellbar sind.
In der Figur 2 ist eine Wickeleinrichtung 1 dargestellt, mit welcher die erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden können. Die Wickeleinrichtung 1 weist eine Fadenführungsvorrichtung 17 auf, die als bewegbarer Roboterarm ausgebildet ist. An der Fadenführungseinrichtung 17 ist ein Fadenführungselement vorgesehen, durch welches der getränkte Roving 14 (das Endlosfaserbündel) geführt und unter Spannung gehalten wird. Das Fadenführungselement ist als Fadenführungsauge ausgebildet. Der trockene Roving 14 wird von einer Spindel 15 abgerollt und zunächst durch eine Imprägniereinrichtung 16 geführt, in welcher der trockene Roving 14 mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkt wird.
Der Wickelkern 1 1 mit den Umlenkelementen 12, 121 wird über eine Wickelkernhalterung 18 gehalten, die ebenfalls als bewegbarer Roboterarm ausgebildet ist. Insofern ist es möglich, während des Wickelns sowohl das Fadenauge als auch den Wickelkern 1 1 auszurichten, um den getränkte Roving 14 frei im Raum um die Umlenkelemente 12, 121 zu wickeln. Dieser Umstand ist in der Darstellung in Figur 2 dadurch verdeutlicht, dass eine zweite Stellung der Wickelkernhalterung 18' mit einen an anderer Position in Raum angeordneten Wickelkern 1 1 ' gezeigt ist.
Gemäß einer Abwandlung der in Figur 2 gezeigten Ausführung einer Wickeleinrichtung 1 wird der Roving 14 beim Wickeln über ein feststehendes Fadenführungselement, insbesondere ein feststehendes Fadenauge, geführt. Das bedeutet, dass die Fadenführungseinrichtung 17 feststehend ausgebildet ist und die Wickelkernhalterung 18 bewegbar ist, um die Umlenkelemente 12, 121 gegenüber dem Fadenführungselement zu bewegen.
Anhand der Darstellung in Figur 3 soll eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Bei diesem Verfahren wird eine als Werkzeug ausgestaltete Ablageform 19 bereitgestellt. Die Ablageform 19 kann beispielsweise Teil des Wickelkerns 1 1 sein oder mit diesem verbunden sein. In einem ersten Schritt wird der mit dem aushärtbaren Matrixmaterial getränkte oder gemischte Roving 14 um die relativ zueinander feststehenden Umlenkelemente 12, 121 gewickelt, so dass entlang einer vorgegebenen Bahn zwischen zwei Umlenkelementen 12, 121 mehrere mit dem aushärtbaren Matrixmaterial getränkte oder gemischte Lagen 21 des Rovings 14 benachbart angeordnet sind, welche auf der Ablageform 19 abgelegt werden. Die auf der Ablageform 19 abgelegten Lagen 21 des Rovings 14 werden gegen die Ablageform 19 gepresst, um Lufteinschlüsse zwischen den Lagen 21 und ggfs. innerhalb des Rovings 14 zu reduzieren. Die Krafteinwirkung durch das Pressen ist in der Darstellung in Figur 3 durch einen Pfeil angedeutet.
Nach dem Pressen und vor bzw. nach dem Aushärten des Matrixmaterials wird die Ablageform 19 entfernt. Bei einer mit dem Wickelkern 1 1 verbundenen Ablageform 19 bedeutet dies, dass die Ablageform 19 von dem Wickelkern 1 1 getrennt wird. Vor oder nach dem Entfernen der Ablageform 19 wird das Matrixmaterial ausgehärtet, um das Faserverbundbauteil zu erhalten. Das nach dem Aushärten erhaltene Faserverbundbauteil weist einen geringeren Anteil an eingeschlossener Luft auf, so dass die Festigkeit und die Steifigkeit sowohl bei Zug- aber vor allem bei Druckbeanspruchungen des Faserverbundbauteils erhöht sind.
Anhand der Darstellung in Figur 4 soll eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Bei diesem Verfahren wird die Ablageform 20 nicht durch ein Werkzeug gebildet, sondern durch einen gewickelten und ausgehärteten Roving 14, der einen Teil des hergestellten Faserverbundbauteils bildet. Zur Herstellung der Ablageform 20 kann derselbe Roving 14 Verwendung finden, der auch zur Ausbildung der übrigen Lagen des Faserverbundbauteils verwendet wird. Alternativ ist es möglich, verschiede Rovings zu verwenden.
Bei dem Verfahren wird zunächst ein mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränker oder gemischter Roving 14 um relativ zueinander feststehende Umlenkelemente 12, 121 gewickelt, so dass entlang einer vorgegebenen Bahn zwischen zwei Umlenkelementen 12, 121 mehrere mit dem Matrixmaterial getränkte oder gemischte Hilfs-Lagen 22 des Rovings 14 benachbart angeordnet sind. Die mit dem Matrixmaterial getränkten oder gemischten HilfsLagen 22 werden ausgehärtet, um eine Ablageform 20 zu bilden. Das Aushärten der HilfsLagen 22 erfolgt bevorzugt mittels eines Lasers. Alternativ kann das Aushärten der Hilfs-Lagen 22 in einem Ofen erfolgen.
Danach wird der Roving 14 oder ggf. ein anderer Roving um die Umlenkelemente 12, 121 gewickelt, so dass entlang der vorgegebenen Bahn zwischen den Umlenkelementen 12, 121 mehrere Lagen 21 des Rovings 14 oder mehrere Lagen des anderen Rovings auf der Ablageform 20 abgelegt werden. Die auf der Ablageform 20 abgelegten Lagen 21 werden gegen die Ablageform 20 gepresst, um Lufteinschlüsse zwischen den Lagen 21 und ggf. innerhalb des Rovings 14 zu reduzieren. Danach erfolgt das Aushärten des Matrixmaterials, um das Faserverbundbauteil zu erhalten.
Die nachfolgenden Überlegungen zu den einzelnen Verfahrensschritten gelten für beide erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele des Herstellungsverfahrens gleichermaßen.
Bei den beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff kann das Pressen der Lagen gegen die Ablageform nach dem Ab- schluss des Wickeins erfolgen. Zum Pressen kann ein Presswerkzeug verwendet werden, beispielsweise eine Platte oder eine Pressform, die an die Außenkontur des herzustellenden Faserverbundbauteils angepasst ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Pressen der Lagen 21 gegen die Ablageform 19, 20 während des Ablegens der Lagen 21 auf der Ablageform 19, 20 erfolgen. Hierzu kann beispielsweise eine Andruckrolle verwendet werden, die an dem Fadenführungselement der Wickelvorrichtung 1 vorgesehen ist. Eine schematische Darstellung zweier Ausgestaltungen von Fadenführungselementen mit einer Andruckrolle 2 über welche der Roving 14 geführt und gleichzeitig in Kraftrichtung P gepresst wird, sind in den Darstellungen in Figur 5 bis 7 gezeigt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist im Bereich der Andruckrolle 2 zusätzlich eine Auftragseinrichtung 3 zum Auftragen des aushärtbaren Matrixmaterials 4 auf den Roving 14 angeordnet. Die Auftragseinrichtung 3 ist als Injektionsdüse ausgebildet. Über die im Bereich der Andruckrolle 2 vorgesehene Auftragseinrichtung 3 kann das aushärtbare Matrixmaterial 4 unmittelbar nach dem Pressen des Rovings 14 gegen die Ablageform aufgetragen werden, um den Roving zu tränken. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann optional auf eine Imprägniereinrichtung 16, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, verzichtet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist vor dem Bereich der Andruckrolle 2 alternativ oder zusätzlich eine Auftragseinrichtung 3 zum Auftragen des aushärtbaren Matrixmaterials 4 vor dem Roving 14 angeordnet. Die Auftragseinrichtung 3 ist als Injektionsdüse ausgebildet. Vor dem Bereich der Andruckrolle 2 vorgesehene Auftragseinrichtung 3 kann das aushärtbare Matrixmaterial 4 unmittelbar vor dem Ablegen und Pressen des Rovings 14 gegen die Ablageform aufgetragen werden, wobei die Luft entweichen kann und der Roving durch das Matrixmaterial luftdicht umhüllt wird. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann optional auf eine Imprägniereinrichtung 16, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, verzichtet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 ist an dem Fadenführungselement eine Stanzrolle 5 angeordnet, welche mit Stanzelementen 6, beispielsweise mit Dornen, bestückt ist. Über die Stanzrolle 5 können vor, während oder nach der Ablage des Rovings Löcher in dem Roving 14 erzeugt werden, welche das Austreten von Luft aus dem Roving erleichtern.
Optional kann der Querschnitt des Rovings 14 vor dem Ablegen definiert eingestellt werden. Figur 8 zeigt eine formgebende Matrize 7, welche temperiert sein kann, durch welche der getränkte oder gemischte Roving 14 vor dem Ablegen auf die Ablageform 19, 20 geführt werden kann. Bevorzugt weist die Matrize einen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt auf. Andere Querschnitte sind ebenfalls denkbar.
Optional kann der Roving 14 beim Ablegen auf der Ablageform 19, 20 zu einer mechanischen Schwingung angeregt werden. Ferner kann das Ablegen des Rovings 14 auf der Ablageform 19, 20 in einem Bad aus dem aushärtbaren Matrixmaterial erfolgen. Ferner ist es denkbar, dass der getränkte oder gemischte Roving 14 vor oder beim Wickeln mit einem weiteren Roving, insbesondere teilweise umwickelt wird (Figur 10), um den getränkten oder gemischten Roving 14 zu komprimieren. Eine weitere Abwandlung des Verfahrens sieht vor, dass der Roving 14 und die Ablageform 19, 20 derart elektrisch aufgeladen werden, dass sie sich gegenseitig anziehen (Figur 9).
Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren kann das Aushärten des Matrixmaterials bei einem Umgebungsdruck größer als 1 bar, insbesondere in einem Flüssigkeitsbad erfolgen. Alternativ kann das Aushärten bei Unterdruck, insbesondere einem Vakuum, erfolgen, während die mit dem Matrixmaterial getränkten Lagen zu einer mechanischen Schwingung angeregt werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Verfahren bildet die Ablageform 19, 20 eine druckfeste Unterlage, auf welcher die Lagen 21 des mit dem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten Rovings 14 abgelegt werden. Die abgelegten Lagen 21 werden gegen die Ablageform 19, 20 gepresst, wobei Lufteinschlüsse in dem Matrixmaterial und/oder zwischen den Lagen 21 des Rovings 14 herausgedrückt werden. Ist die Ablageform 19 als Werkzeug ausgebildet, so wird sie vor oder nach dem Aushärten des Matrixmaterials entfernt, d.h. sie wird von den gepressten Lagen 21 des Rovings 14 getrennt. Ist die Ablageform 20 hingegen durch Aushärten eines in Matrixmaterial getränkten oder gemischten Rovings 14 gebildet, so verbleibt diese in Kontakt mit auf ihr den abgelegten Lagen 21 . Beim nachfolgenden Aushärten kann so ein Faserverbundbauteil erhalten werden, das einen geringeren Anteil an eingeschlossener Luft aufweist. Hierdurch werden die Festigkeit und die Steifigkeit sowohl bei Zug- aber vor allem bei Druckbeanspruchungen des erhaltenen Faserverbundbauteils erhöht Bezugszeichenliste
1 Wickeleinrichtung
2 Andruckrolle
3 Auftragseinrichtung
4 Matrixmaterial
5 Stanzrolle
6 Stanzelemente
7 Matrize
1 1 , 1 1 ' Wickelkern
12 Umlenkelement
13 Funktionselement
14 Roving
15 Spindel
16 Imprägniereinrichtung
17 Fadenführungsvorrichtung 18, 18' Wickelkernhalterung
19 Ablageform, Werkzeug
20 Ablageform, ausgehärteter Roving
21 Lagen des Rovings
22 Hilfs-Lagen des Rovings
121 Umlenkelement
P Kraftrichtung beim Pressen

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit folgenden Verfahrensschritten:
- Wickeln eines mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten ersten Rovings (14) um relativ zueinander feststehende Umlenkelemente (12,121 ), so dass entlang einer vorgegebenen Bahn zwischen zwei Umlenkelementen (12, 121 ) mehrere mit dem Matrixmaterial getränkte oder gemischte Hilfs-Lagen (22) des ersten Rovings (14) benachbart angeordnet sind;
- Aushärten der mit dem Matrixmaterial getränkten oder gemischten Hilfs-Lagen (22) in der vorgegebenen Bahn, um eine Ablageform (20) zu bilden,
- Wickeln des mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten ersten Rovings (14) oder mindestens eines mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten zweiten Rovings um die Umlenkelemente (12, 121 ), so dass entlang der vorgegebenen Bahn zwischen den Umlenkelementen (12, 121 ) mehrere Lagen (21 ) des ersten Rovings (14) oder mehrere Lagen des zweiten Rovings auf der Ablageform (20) abgelegt werden,
- Pressen der Lagen (21 ) gegen die Ablageform (20), um Lufteinschlüsse zwischen den Lagen (21 ) zu reduzieren;
- Aushärten des Matrixmaterials, um das Faserverbundbauteil zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten der HilfsLagen (22) mittels thermischer Energieeinbringung, insbesondere eines Lasers erfolgt, insbesondere während des Wickeins des ersten Rovings (14).
3. Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit folgenden Verfahrensschritten:
- Wickeln eines mit einem aushärtbaren Matrixmaterial getränkten oder gemischten Rovings (14) um relativ zueinander feststehende Umlenkelemente (12, 121 ), so dass entlang einer vorgegebenen Bahn zwischen zwei Umlenkelementen (12, 121 ) mehrere mit dem aushärtbaren Matrixmaterial getränkte oder gemischte Lagen (21 ) des Rovings (14) benachbart angeordnet sind, welche auf einer Ablageform (19) abgelegt werden, wobei die Ablageform (19) als Werkzeug ausgebildet ist; - Pressen der Lagen gegen die Ablageform (19), um Lufteinschlüsse zwischen den Lagen zu reduzieren;
- Entfernen der Ablageform (19) wahlweise vor oder nach dem Aushärten,
- Aushärten des Matrixmaterials , um das Faserverbundbauteil zu erhalten.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen der Lagen (21 ) gegen die Ablageform (19, 20) nach dem Ab- schluss des Wickeins erfolgt, insbesondere mittels eines Presswerkzeugs.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen der Lagen (21 ) gegen die Ablageform (19, 20) während des Ablegens der Lagen (21 ) auf der Ablageform (19, 20) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen der Lagen (21 ) des Rovings (14) gegen die Ablageform (19, 20) durch eine Andruckrolle (2) erfolgt, über welche der Roving (14) abgerollt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (14) beim Ablegen auf der Ablageform (19, 20) zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablegen des trockenen oder getränkten oder gemischten Rovings (14) auf der Ablageform (19, 20) in einem Bad aus dem aushärtbaren Matrixmaterial erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während und/oder nach dem Ablegen des trockenen oder getränkten oder gemischten Rovings (14) auf der Ablageform (19, 20) ein aushärtbares Matrixmaterial aufgetragen wird, insbesondere über ein Auftragseinrichtung (3).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der getränkte oder gemischte Roving (14) vor dem Ablegen auf die Ablageform (19, 20) durch eine formgebende Matrize (7), welche insbesondere temperiert sein kann, geführt wird.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach dem Ablegen des Rovings Löcher in dem Roving (14) erzeugt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (14) beim Wickeln über ein feststehendes Fadenführungselement, insbesondere ein feststehendes Fadenauge, geführt wird und die Umlenkelemente (12, 121 ) gegenüber dem Fadenführungselement bewegt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der getränkte oder gemischte Roving (14) vor oder beim Wickeln mit einem weiteren trockenen oder getränkten oder gemischten Roving vollständig oder teilweise umwickelt wird, um insbesondere den getränkten oder gemischten Roving (14) zu komprimieren.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (14) und die Ablageform (19, 20) derart elektrisch aufgeladen werden, dass sie sich gegenseitig anziehen.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten des Matrixmaterials bei einem Umgebungsdruck größer als 1 bar erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten in einem Flüssigkeitsbad erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten bei Unterdruck, insbesondere einem Vakuum, erfolgt, während die mit dem Matrixmaterial getränkten Lagen (21 ) zu einer mechanischen Schwingung angeregt werden.
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