DE102015110855B4

DE102015110855B4 - Verfahren zur Fertigung von komplexen 3D-Preformen

Info

Publication number: DE102015110855B4
Application number: DE102015110855.0A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Nendel; Lothar Kroll; Stefan Demmig
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2035-07-07
Also published as: DE102015110855A1

Abstract

Verfahren zur Fertigung von komplexen 3D-Preformen unter Verwendung eines bestickbaren textilen Flächengebildes (1) als Erstlage, wobei das textile Flächengebilde (1) in Form eines maschenbildenden oder nichtmaschenbildenden textilen Halbzeuges vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass Stränge aus Verstärkungsfasern (Rovings) (2) mittels eines Blindstichtyps mit gebogener Nadel unter Verwendunga) eines ersten Fadens (4) oderb) eines ersten und zweiten Fadens (4, 5) oderc) eines ersten, zweiten und dritten Fadens (4, 5, 6) auf das textile Flächengebilde (1) aufgestickt werden, wobei das textile Flächengebilde (1) nicht vollständig durchstoßen unda) bei Verwendung nur eines ersten Fadens (4) ein Roving (2), auf dem Flächengebilde (1) positioniert ist und dass die Fixierung des Rovings (2) auf dem Flächengebilde (1) mittels einer Blindstichnaht erfolgt, wobei der in eine Nährichtung (3) führende erste Faden (4) das Flächengebilde (1) nicht vollständig durchsticht und der erste Faden (4) mittels über dem Roving (2) liegenden Schlaufen, durch welche er einseitig durchgeführt wird, diesen fixiert und Einstiche entlang des Rovings (2) liegen und versetzt zueinander sind und dass die Schlaufen mit einem Winkelversatz über den Roving (2) führenoderb) bei Verwendung eines ersten Fadens (4) und eines zweiten Fadens (5) der erste und der zweite Faden (4, 5) parallel zum Roving (2) verlaufen, welcher auf dem Flächengebilde (1) positioniert ist und der erste und der zweite Faden (4,5) Laschen bilden, durch welche der jeweils andere Faden gezogen wird, wobei die sichtbaren Laschen des zweiten Fadens (5) orthogonal zu dem positionierten Roving (2) liegen oderc) bei Verwendung eines ersten Fadens (4), eines zweiten Fadens (5) und eines dritten Fadens (6) der dritte Faden (6) parallel zu dem Roving (2) verläuft und auf dem textilen Flächengebilde (1) aufliegt und nur durch Laschen des zweiten Fadens (5) läuft und wobei der erste Faden (4) die Laschen für den zweiten Faden (5) bildet aber der erste Faden (4) selbst durch keine Laschen durchgeführt wird und der erste Faden (4) über dem Roving (2) und orthogonal zum Roving (2) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von komplexen 3D-Preformen und findet insbesondere für die endkonturnahe Fertigung von endlosfaserverstärkten 3D-Preformen mit lastpfadoptimiertem Faserverlauf Anwendung.
Preformen für Infiltrationsverfahren können auf verschiedenen Wegen erzeugt werden. Häufig werden flächige textile Halbzeuge entsprechend der gewünschten Faserorientierung in manuellen Prozessen in Form gebracht. Erfolgt die Ablage dabei auf (sphärisch) gekrümmten Flächen wird von Drapieren gesprochen. Da sich die hochsteifen Verstärkungsfasern nicht dehnen lassen erfolgt die Anpassung nur durch Umorientierung der Fasern infolge Verzerrung (z.B. Gewebescherung). Jede Art von textilem Halbzeug (Gewebe, Gelege, Vlies) hat dabei charakteristische Eigenschaften, welche die Drapierbarkeit begrenzen. Um den kritischen Scherwinkel von Geweben nicht zu überschreiten müssen komplexere Bauteile aus vielen einzelnen Gewebestücken zusammengesetzt werden oder die Gewebestücke müssen eingeschnitten werden, damit sie keine Falten aufwerfen. Diese Unterbrechungen der lasttragenden Verstärkungsfasern wirken als Störstellen im fertigen Laminat und reduzieren die lokale Festigkeit erheblich. Das muss durch zusätzliche Halbzeugschichten und höhere Sicherheitsfaktoren ausgeglichen werden, was zu einer Massezunahme der Bauteile führt. Darüber hinaus ist die Reproduzierbarkeit manueller Drapiervorgänge begrenzt.
Ein Verfahren, um den Anforderungen der Reproduzierbarkeit zu begegnen, ist das Tailored Fiber Placement (TFP). Dabei wird ein Strang aus Verstärkungsfasern (Roving) mit einer speziellen Stickmaschine auf ein Basistextil aufgenäht. Daher folgen die Verstärkungsfasern sehr genau und vor allem reproduzierbar dem vorgegebenen Verlauf. Durch die Ableitung der Stickmuster aus den Hauptspannungen im Bauteil können hochspezialisierte Strukturen erzeugt werden, welche die Faserfestigkeit gut ausnutzen. Die so hergestellten Preformen werden anschließend, zum Beispiel im Resin-Transfer-Molding (RTM), mit der Kunststoffmatrix infiltriert, wodurch sich sehr endkonturnahe Bauteile herstellen lassen. Um wechselnde Belastungsrichtungen ertragen zu können, müssen mehr als zwei deutlich verschiedene Faserorientierungen im fertigen Laminat vorhanden sein. Eine solche TFP-Preform kann jedoch nicht auf mehrfach gekrümmten Strukturen drapiert werden, da dies ein Abgleiten der Faserstränge erfordern würde, was durch den Nähfaden verhindert wird. Das beschränkt die Anwendung des TFP bisher auf ebene, bzw. nur sehr schwach sphärisch gekrümmte oder abwickelbare Bauteilstrukturen. Zudem erfordert die Verwendung konventioneller Stickmaschinen beidseitigen Zugang zum bestickbaren Basistextil.
Beim Tapelegen werden Bänder aus Verstärkungsfasern auf einer dreidimensionalen Werkzeugform abgelegt. Um ein Verschieben der Fasern durch Schwerkraft, Luftzug oder nachfolgend aufgebrachte Schichten zu verhindern müssen die Fasern fixiert werden. Dies geschieht beispielsweise durch die Matrix selbst (Tränkung der Rovings, Prepregs) oder durch andere Hilfsstoffe (Klebstoff, thermoplastische Schlichte). Weil die Matrix während der Faserablage bereits aushärtet, sind dem Verfahren und damit der Gestaltung möglicher Bauteile enge Grenzen gesetzt. Darüber hinaus sind die Verarbeitung von Prepregs und die offene Verarbeitung von Duroplasten mit hohen Kosten verbunden (Lagerung, Handhabung, Arbeitsschutz). Eine zeitliche und räumliche Entkopplung von Preformherstellung und Infiltration würde den Gestaltungsspielraum möglicher Bauteile deutlich erweitern.
In der Druckschrift DE 10 2009 041 177 A1 wird eine Methode zur Herstellung einer dreidimensionalen Preform durch Aufnähen auf ein gespanntes zylindrisches Basistextil beschrieben. Auch dieses Verfahren benötigt die Zugänglichkeit von beiden Seiten des Basistextils, was die Art der möglichen Bauteile stark einschränkt.
Die Druckschrift DE 100 40 807 B4 beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Blindstichnaht mit gebogener Nadel. Das textile Halbzeug muss nicht mehr vollständig durchstoßen werden, um eine Naht zu erzeugen. Daher ist nur noch eine einseitige Zugänglichkeil zum Textil erforderlich. Diese wird dazu verwendet bei der Preformherstellung textile Halbzeuge direkt in der Werkzeugform miteinander zu vernähen. Die erzeugte Naht ist jedoch nicht geeignet einen Roving auf einem Untergrund zu befestigen.
Aus der Druckschrift DE 10 2005 035 681 A1 ist ein Fertigungsverfahren zur Armierung von Kernmaterialien für Kernverbunde bekannt. Die Armierung erfolgt durch einen Greifer, der von einer Seite in die Kernverbund-Struktur oder in den Kernwerkstoff einsticht und in seiner Rückwärtsbewegung eine auf der gegenüberliegenden Seite befindliche Verstärkungsstruktur in Form eines Nähfadens durch das entstandene Loch durchzieht. Auch in dieser beschriebenen Lösung wird ein beidseitiger Zugang zum Kernwerkstoff vorausgesetzt.
In der Druckschrift DE 10 2007 051 422 A1 wird eine Zweiseiten-Einnadel-Unterfaden-Nähtechnik beschrieben. Die Erfindung beschreibt die Verstärkung von Kernverbund-Strukturen mit Hilfe einer Armierungsvorrichtung, wobei die Deckschichten der Kernverbund-Strukturen aus Faser-Kunststoff-Verbund und das Kernmaterial aus polymerem Hartschaumstoff bestehen. Erfindungsgemäß wird das Einbringen des Durchgangslochs im Kernmaterial zeitlich getrennt von der Einbringung der Armierungsstruktur durchgeführt, wobei nach der Einbringung des Durchgangsloches mit Hilfe eines Hakens, Greifers oder Nadel die Armierungsstruktur geholt wird und, durch eine Aufwärts- und Drehbewegung oder eine Aufwärtsbewegung eines/einer mit einem Schieber gesicherten Greifers, Hakens oder Nadel in die Kernverbund-Struktur eingebracht wird. Nach dem Einbringen des Durchgangsloches und der Armierungsstruktur wird die Nadel, der Greifer oder der Haken zum nächsten Einstichloch geführt. Gemäß der Beschreibung und den Ansprüchen wird ein Durchstechen des Kernmaterials beschrieben. Auch hier ist ein beidseitiger Zugang notwendig, wodurch zuvor beschriebene Nachteile auftreten.
In Druckschrift DE 197 51 011 A1 wird eine Applikationseinheit zum Vernähen von Textilien beschrieben, welche nur eine Zugänglichkeit von einer Seite des Textils erfordert. Eine Nadel und ein Greifer sind dabei schräg zueinander angeordnet. Die Nadel erzeugt eine Schlinge auf der Unterseite des Textils, der Greifer führt die Schlinge auf die Oberseite des Textils zurück und verkettet aufeinanderfolgende Schlingen miteinander. Auch in Druckschrift DE 198 13 887 A1 wird eine Applikationseinheit zum Vernähen von Textilien beschrieben welche nur eine Zugänglichkeit von einer Seite des Textils erfordert. Dabei arbeiten zwei schräg zueinander angeordnete Nadeln abwechselnd so, dass eine Nadel eine Schlaufe auf der Unterseite erzeugt, in welche die jeweils andere Nadel eintaucht und wiederum selbst eine Schlaufe bildet. Beide Arten der Nahtbildung sind für die erfindungsgemäße Aufgabe nicht geeignet. Zum einen kann der entstehende Stichtyp einen Roving nicht auf einem Basistextil fixieren, zum anderen benötigen Nadel und Greifer Freiraum auf der Unterseite des Textils. Komplexe dreidimensionale Preformen müssen während der Erzeugung gestützt werden. Für einzelne Nähte kann dies in Form von Nuten im Stützwerkzeug vorgesehen werden. Eine vollflächige Ablage von Rovings ist mit den Verfahren aus DE 197 51 011 A1 und DE 198 13 887 A1 nicht möglich.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbundelement-Herstellung aus widerstandsfähigen Fasern ist aus der Druckschrift DE 691 06 404 T2 bekannt. Aufgabe dieser Vorrichtung und des zugehörigen Verfahrens ist eine bereits aus flächigen textilen Halbzeugen zusammengesetzte Preform in Dickenrichtung zu verstärken. Hierfür werden Verstärkungsfasern als Nähfaden eingesetzt. Gemäß dem Verfahren werden mit der gebogenen Nadel Endlosfasern in das Substrat eingebracht, die damit eine Verstärkung des Substrates bilden. Die Endlosfaser kann in einzelne Segmente in Form eines ersten und zweiten Segments unterteilt werden. Mittels der Nadel wird in das Substrat das erste gebogene Segment der Faser und bei jeder Rückbewegung das gebogene zweite Segment der Faser eingeführt. Die hier verwendeten Verstärkungsfäden werden somit in das Substrat bogenförmig eingebracht.
Mit einer derartigen Ausgestaltung und Anordnung der Verstärkungsfäden kann ein Roving nicht auf dem Substrat fixiert werden, da die Segmente, die durch Nadel und Faden gebildet werden, nur unter diesem hindurchgeführt würden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Fertigung von komplexen 3D-Preformen zu entwickeln, welches die Nachteile des manuellen Drapierens vermeidet, das heißt die Reproduzierbarkeit gewährleistet, die Anzahl der notwendigen Faserunterbrechungen reduziert, welche sich aus den Drapiereigenschaften textiler Halbzeuge ergibt und entgegen dem herkömmlichen TFP-Verfahren gleichzeitig mehrfach gekrümmte Strukturen umsetzen kann.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von komplexen 3D-Preformen unter Verwendung eines bestickbaren textilen Flächengebildes als Erstlage, wobei das textile Flächengebilde in Form eines maschenbildenden oder nichtmaschenbildenden textilen Halbzeuges vorliegt. Die Stränge aus Verstärkungsfasern, auch Rovings genannt, werden mittels eines Blindstichtyps, in Form eines klassischen oder eines optimierten Blindstichtypes, mit gebogener Nadel auf das textile Flächengebilde aufgestickt, wobei das textile Flächengebilde nicht vollständig durchstoßen wird.
Bei der Fixierung des Rovings auf dem textilen Flächengebilde können unterhalb des Rovings mehr als eine Richtung von Stichkanälen vorliegen. Der Fadenverlauf oberhalb des Rovings verläuft hingegen vorzugsweise senkrecht oder parallel zum diesem.
Als Ausgangswerkstoff werden trockene Endlosfasern verwendet, wobei für Infiltrationsverfahren auf duro- oder thermoplastischer Basis ungetränkte Fasern und für Bauteile mit thermoplastischer Matrix Hybridgarn eingesetzt werden.
Der Nähfaden besteht vorzugsweise aus einem die Bauteileigenschaften beeinflussenden Material, wobei der Nähfaden aus Verstärkungsfasern, einem matrixkompatiblen Polymer, dem Matrixwerkstoff der Bauteile oder einem anderen Fasermaterial besteht.
Zu Beginn wird der Roving mittels einer Applikationseinheit fixiert und auf das Flächengebilde aufgestickt. Für eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ist die Applikationseinheit robotergeführt, wobei die Anzahl der steuerbaren Achsen verschieden sein kann. Dabei setzen sich die Achsen aus linearen und/oder rotatorischen Achsen zusammen.
Vorteilhafterweise ist eine Schneid- und Transportvorrichtung für die Zuführung des Rovings zum Ort der Fixierung integriert, welche eine gezielte Unterbrechung der Endlosfasern an den Rändern des Bauteils oder der Einzelschicht ermöglicht.
Der Transport, bzw. die Zuführung des Rovings erfolgt mittels Unterdruck auf einem luftdurchlässigen Förderband.
Zum Trennen des Rovings wird eine Schneidvorrichtung eingesetzt, welche unterschiedliche Prinzipien in Form von Messern, oszilierenden Messern, Abscheren, Lasern oder ähnlichem verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 Fixierung des Rovings durch Blindstichnaht, Stichtyp 103,
2 Fixierung des Rovings durch Blindstichnaht, Stichtyp 503
3 Fixierung des Rovings mit optimiertem Stichtyp
4 Fixierung des Rovings mit weiterer Variante eines optimierten Stichtyps

In 1 ist ein bestickbares textiles Flächengebilde 1, vorzugsweise ein Basistextil dargestellt, auf welchem eine Verstärkungsfaser 2, auch Roving genannt, positioniert ist. Die Fixierung des Rovings 2 auf dem Flächengebilde 1 erfolgt mittels einer Blindstichnaht, wobei der in Nährichtung 3 führende Faden 4 das Flächentextil nicht vollständig durchsticht. Die in 1 dargestellte Blindstichnaht gehört dem Stichtyp 103 an.
Dabei wird nur ein Faden 4 verwendet, welcher mittels über dem Roving liegenden Schlaufen, durch welche er einseitig durchgeführt wird, diesen fixiert. Die Einstiche liegen dabei entlang des Rovings an, wobei die Einstiche versetzt zueinander sind. Daraus folgt, dass die Schlaufen mit einem Winkelversatz über den Roving führen.
2 zeigt einen zweiten Blindstichtyp nach Stichtyp 503. Dabei kommen ein erster Faden 4 und ein zweiter Faden 5 zum Einsatz. Die Fäden 4,5 verlaufen parallel zum Roving 2, welcher wieder auf dem Flächengebilde 1 positioniert ist. Im Gegensatz zum in 1 dargestellten Stichtyp 103 bilden beiden Fäden 4,5 Laschen, durch welche der jeweils andere Faden gezogen wird. Dabei liegen die sichtbaren Laschen des zweiten Fadens 5 orthogonal zu dem positionierten Roving 2. Die Einstiche in das textile Flächengebilde 1 liegen bei diesem Stichtyp sich gegenüber.
Optimierte Stichtypen sind in den 3 und 4 dargestellt. Dabei wird ein dritter Faden 6 verwendet, welcher parallel zu dem Roving 2 verläuft. Dieser dritte Faden 6 liegt gemäß 3 auf dem textilen Flächengebilde 1 auf und läuft nur durch Laschen des zweiten Fadens 5. Der erste Faden 4 bildet die Laschen für den zweiten Faden 5, wohingegen der erste Faden 4 selbst durch keine Laschen durchgeführt wird. Ähnlich 2 liegt der erste Faden 4, welcher über dem Roving 2 verläuft orthogonal zu diesem. Dies ermöglicht eine optimale Fixierung des Rovings 2 auf dem textilen Flächengebilde 1. 4 zeigt einen weiteren optimierten Stichtyp. Die Einstiche verlaufen parallel zu dem Roving 2, wobei die über dem Roving 2 von dem ersten Faden 4 gebildeten Laschen orthogonal zu dem Roving 2 verlaufen.
Die 1 bis 4 zeigen Beispiele für mögliche Stichvarianten welche mit einer oder mehreren gebogenen Nadel(n) durchgeführt werden, wobei das textile Flächengebilde nie vollständig durchstoßen wird. Dadurch wird auf der Rückseite des Flächengebildes kein Bauraum benötigt. Dies erlaubt es beispielsweise komplexe flächige Preformen direkt in der Werkzeugform aus Rovings aufzubauen. Auch das Umsticken von formgebenden Kernmaterialien wie polymerer Hartschaum oder metallischer Inserts zu einem integralen Bauteil wird dadurch möglich. Jede auf diese Weise fixierte Einzelschicht aus Rovings kann wiederum als Basistextil für nachfolgende Schichten dienen. Somit ist die maximal mögliche Bauteildicke, anders als beim klassischen TFP, nicht durch technologische Eigenschaften des Nähverfahrens beschränkt.
Bezugszeichenliste

1: textiles Flächengebilde
2: Verstärkungsfaser/Roving
3: Nährichtung
4: erster Faden
5: zweiter Faden
6: dritter Faden

Claims

Verfahren zur Fertigung von komplexen 3D-Preformen unter Verwendung eines bestickbaren textilen Flächengebildes (1) als Erstlage, wobei das textile Flächengebilde (1) in Form eines maschenbildenden oder nichtmaschenbildenden textilen Halbzeuges vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass Stränge aus Verstärkungsfasern (Rovings) (2) mittels eines Blindstichtyps mit gebogener Nadel unter Verwendung a) eines ersten Fadens (4) oder b) eines ersten und zweiten Fadens (4, 5) oder c) eines ersten, zweiten und dritten Fadens (4, 5, 6) auf das textile Flächengebilde (1) aufgestickt werden, wobei das textile Flächengebilde (1) nicht vollständig durchstoßen und a) bei Verwendung nur eines ersten Fadens (4) ein Roving (2), auf dem Flächengebilde (1) positioniert ist und dass die Fixierung des Rovings (2) auf dem Flächengebilde (1) mittels einer Blindstichnaht erfolgt, wobei der in eine Nährichtung (3) führende erste Faden (4) das Flächengebilde (1) nicht vollständig durchsticht und der erste Faden (4) mittels über dem Roving (2) liegenden Schlaufen, durch welche er einseitig durchgeführt wird, diesen fixiert und Einstiche entlang des Rovings (2) liegen und versetzt zueinander sind und dass die Schlaufen mit einem Winkelversatz über den Roving (2) führen oder b) bei Verwendung eines ersten Fadens (4) und eines zweiten Fadens (5) der erste und der zweite Faden (4, 5) parallel zum Roving (2) verlaufen, welcher auf dem Flächengebilde (1) positioniert ist und der erste und der zweite Faden (4,5) Laschen bilden, durch welche der jeweils andere Faden gezogen wird, wobei die sichtbaren Laschen des zweiten Fadens (5) orthogonal zu dem positionierten Roving (2) liegen oder c) bei Verwendung eines ersten Fadens (4), eines zweiten Fadens (5) und eines dritten Fadens (6) der dritte Faden (6) parallel zu dem Roving (2) verläuft und auf dem textilen Flächengebilde (1) aufliegt und nur durch Laschen des zweiten Fadens (5) läuft und wobei der erste Faden (4) die Laschen für den zweiten Faden (5) bildet aber der erste Faden (4) selbst durch keine Laschen durchgeführt wird und der erste Faden (4) über dem Roving (2) und orthogonal zum Roving (2) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Rovings (2) mehr als eine Richtung von Stichkanälen vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fadenverlauf oberhalb des Rovings (2) senkrecht oder parallel zu diesem verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangswerkstoff trockene Endlosfasern verwendet werden, wobei für Infiltrationsverfahren auf duro- oder thermoplastischer Basis ungetränkte Fasern und für Bauteile mit thermoplastischer Matrix Hybridgarn eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Nähfaden (4, 5, 6) aus einem die Bauteileigenschaften beeinflussenden Material besteht, wobei der Nähfaden (4, 5, 6) aus Verstärkungsfasern, einem matrixkompatiblen Polymer oder dem Matrixwerkstoff der Bauteile besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (2) mittels einer Applikationseinheit fixiert und auf das Flächengebilde (1) aufgestickt wird, wobei die Applikationseinheit robotergeführt ist und die Anzahl der steuerbaren Achsen verschieden sein kann, wobei sich die Achsen aus linearen und/oder rotatorischen Achsen zusammensetzen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schneid- und Transportvorrichtung für die Zuführung des Rovings (2) zum Ort der Fixierung integriert ist, welche eine gezielte Unterbrechung der Endlosfasern an den Rändern des Bauteils oder der Einzelschicht ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Rovings (2) mittels Unterdruck auf einem luftdurchlässigen Förderband erfolgt und die Schneidvorrichtung zum Trennen des Rovings (2) unterschiedliche Prinzipien in Form von Messern, oszilierenden Messern, Abscheren oder Lasern verwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine 3-Fadentechnik als Blindstich verwendet wird, wobei ein erster, zweiter und dritter Faden (4, 5, 6) den Roving (2) auf dem textilen Flächengebilde (1) fixieren.