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WO2014012774A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung von faserverstärkten kunststoffbauteilen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung von faserverstärkten kunststoffbauteilen Download PDF

Info

Publication number
WO2014012774A1
WO2014012774A1 PCT/EP2013/063771 EP2013063771W WO2014012774A1 WO 2014012774 A1 WO2014012774 A1 WO 2014012774A1 EP 2013063771 W EP2013063771 W EP 2013063771W WO 2014012774 A1 WO2014012774 A1 WO 2014012774A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rovings
yarns
mold
fiber tapes
matrix material
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/063771
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Kaiser
Markus Lang
Lars Herbeck
Original Assignee
Voith Patent Gmbh
Audi Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent Gmbh, Audi Ag filed Critical Voith Patent Gmbh
Publication of WO2014012774A1 publication Critical patent/WO2014012774A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • 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
    • B29C70/345—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 using matched moulds
    • 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
    • B29C70/54—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing
    • B29C70/541—Positioning reinforcements in a mould, e.g. using clamping means for the reinforcement
    • 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
    • B29C70/54—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing
    • B29C70/56—Tensioning reinforcements before or during shaping

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for producing 3-dimensional components made of fiber-reinforced plastic.
  • Fiber reinforced plastic components have a structure of reinforcing fibers embedded in a plastic matrix material. For more complex and higher-quality components, a multi-layered fiber structure with fiber orientations arranged as well as possible is often necessary.
  • RTM Resin Transfer Molding
  • first a fiber preform according to the desired component form is produced, which is held together by small amounts of binder material, by stapling, stapling or sewing.
  • This fiber preform is then placed in a closed mold, it is injected the liquid matrix material, so that the fiber preform is completely saturated with matrix material, and the matrix material is usually cured under pressure.
  • the component can be removed from the mold.
  • a disadvantage of this method is that the complete penetration of the matrix material is difficult for multilayer fiber preforms. There is a risk that dry spots remain, which cause imperfections in the component. Or it must be used very low-viscosity matrix material, which limits the selection and thus the component properties.
  • prepregs are strip-shaped fiber tapes or rectangular fiber mats or fiber fabrics that are already impregnated with the required matrix material. From these 2-dimensional prepregs will be cut suitable pieces, draped in or over a mold and pressed together, and cured or consolidated. Prepregs require complicated handling and are expensive. Such with duromer matrix material must be frozen after manufacture to stop the curing process, and are only briefly storable. They must then be thawed before use.
  • Prepregs with thermoplastic matrix material are usually heated to high temperatures prior to use, so that they become soft and formable.
  • the disadvantage is that the flat prepregs can only be cut and draped automatically to a very limited extent and costly and that they are warped or form wrinkles during the three-dimensional forming, as a result of which the optimum strength is not achieved.
  • the object of the invention is to develop an improved, more reliable and easily automatable method and to provide a device suitable for implementing the method, wherein there is no danger of dry spots and so that the complicated handling of prepregs can be dispensed with.
  • the goal is to be able to produce components with special requirements and more complex shapes still cost-effective.
  • the object is achieved for the device according to the invention by providing a plurality of unwinding stations for the provision of a plurality of yarns or rovings or fiber tapes,
  • a plurality of grippers each of which grip one or more yarns or rovings or fiber tapes at their beginning and can span between the first mold and the one or more molds, has;
  • Yarn transfer point is movable back and forth
  • One or more juxtaposed impregnating stations for applying plastic matrix material between unwinding and Forming tools are provided which can impregnate the yarns or rovings or fiber tapes during clamping,
  • first mold can be moved between at least some of the grippers and the yarn transfer point so that the impregnated, stretched yarns or rovings or fiber tapes are draped as a layer over the first mold
  • the one or more further forming tools are arranged on the opposite side of the first mold of the clamped yarns or rovings or fiber tapes and are movable so that they can push the draped layer to the first mold and thus reshape.
  • the advantage of the invention is that in one device or in a continuous process fibers can be stretched in one layer, impregnated with plastic matrix material, draped and 3-dimensionally formed. Preferably, after draping, no further addition of matrix material which is to pass between the fibers is more necessary. By causing the fibers to stretch during stretching, i. When impregnated, a good penetration without dry spots is guaranteed. And the fact that the fibers are impregnated shortly before draping, eliminates the costly winding / unwinding and storage / transporting the impregnated fiber materials, as is inevitable with prepregs.
  • the fibers are preferably carbon, glass or aramid fibers.
  • the term "yarn" refers to the use of so-called continuous fibers, ie when the fibers are unwound from a bobbin or ball. Numerous yarns lying next to each other undiluted and unwound at the same time from a spool or from a ball are called yarn bundles or roving.
  • the rovings can consist of up to several ten thousand single yarns, also called filaments. Rovings with 3,000, 6,000, 12,000, 24,000 or 48,000 or 50,000 yarns are preferably used.
  • Fiber tapes are narrow bands of fabric, scrim or fleece of continuous fibers, which are fixed mechanically or with small amounts of binder material.
  • the matrix material may preferably be duromeric plastic, in particular epoxy resin, polyurethane or other resin, or preferably thermoplastic, in particular PEEK, PPS or a polyamide (PA).
  • a cast polyamide or an in-situ polymerizable polyamide such as, for example, cyclic butylene terephthalate (CBT) or polybutylene terephthalate (PBT).
  • the latter before the gripper grips it, is spread in a spreading device, which is arranged between the unwinding station and the yarn transfer point, so that the individual fibers run parallel next to one another.
  • Each gripper can also grasp several rovings next to each other, for example 2, 3, 4 or 5 rovings next to each other, so that a wider band is stretched by a gripper.
  • the grippers are moved in a straight line between Maxi times position and pickup position.
  • the width of the grippers is preferably between 30 and 600 mm, more preferably between 50 and 200 mm. For smaller widths you need too much mechanics to move the many grippers and for larger widths, the tensile forces are too large or the uniformity in the tension is too difficult to ensure.
  • the impregnation station is preferably arranged between the unwinding station and the yarn transfer point.
  • the impregnation station can also be arranged between the yarn transfer point and the forming tools. For this, the impregnation station must then be able to be moved or opened in such a way that a passage for the grippers is cleared on their linear path.
  • the device can be used when complex, multi-layer components are produced.
  • the first mold can be rotated in the device, so that on a draped layer of impregnated yarns or rovings or fiber tapes by means of the gripper another layer of impregnated yarns or rovings or fiber tapes with a different fiber direction, preferably at an angle between 30 ° and 90 ° rotated can be applied.
  • different layers including several layers can be applied in the same direction.
  • One possible sequence could be, for example, 0 0 + 457 - 457 907 - 457 + 457 07 0 °.
  • the rotation of the first forming tool may take place on a lifting table or together with a lifting table which can perform the movement of the first forming tool between the grippers and the yarn transfer point.
  • the other molds can be made rotatable.
  • One of the other molds may be formed as a hood. By the interaction of the molds thus the layers can be pressed together.
  • the hood can optionally be heated, for example, when using duromer to cure the matrix material can. But it can also be optionally cooled to cool when using thermoplastic, this for consolidation can.
  • several other molds for example in the form of punches may be provided, so that more complicated shapes with, for example, multi-stage forming are possible. Even if a plurality of molds, such as stamps are provided, they can be designed to be heatable in order to achieve a lighter deformation of the thermoplastic or a faster curing of the thermoset.
  • a heating device which can heat the draped layers or the clamped impregnated yarns or rovings or fiber tapes to a temperature between 60 and 400 ° C.
  • a particularly preferred range for the temperature is 60 to 200 ° C to cure thermoset. And another preferred range is 200 to 400 ° C to make them malleable.
  • the heating device is preferably designed as an IR heater or as a continuous and / or circulating air oven. For preheating prior to deformation, it may be provided in the region of the impregnation station or in the region of the molding tools or in between. For hardening the matrix material, the heating device is preferably arranged in the region of the molding tools.
  • thermoplastic When using thermoplastic, it is advantageous to provide a cooling device for cooling the component after or during contact with the or the other molds. Cooling is necessary to consolidate the component.
  • the individual grippers can preferably be moved independently of one another at the same time and the yarns or rovings or fiber tapes can each hold at different intermediate positions between the pick-up position and the maximum position, it is possible to approach different component geometries so that little waste of impregnated fiber material is obtained.
  • the impregnation stations as a powder application unit or as a spray station or as an extrusion application unit or as a film application unit or as an impregnation bath.
  • the various embodiments offer advantages.
  • Particularly suitable for thermos is the soaking bath.
  • Particularly suitable for thermoplastics is the film application or extrusion applicator.
  • Spray station and powder applicator are well suited for both.
  • a calendering device can advantageously be present, for example one or more nips formed from two Rollers that press or roll in the plastic matrix material into the fibrous structure.
  • At least one doctor device is provided which strips off excess plastic matrix material after application from the yarns or rovings or fiber tapes.
  • the doctor device is used in combination with an impregnating bath as impregnating station.
  • each gripper can be assigned a separately controllable impregnation station or a separately controllable doctor device.
  • spray station and powder coating unit are especially suitable for different application quantities. But the other commissioned works can be carried out accordingly. For example, through narrow thermoplastic film strips.
  • Yarns or rovings or fiber tapes are provided by multiple unwinding stations,
  • a plurality of juxtaposed grippers engage the yarns or rovings or fiber tapes at an associated yarn transfer point and span them by movement along substantially parallel paths between a first mold and one or more further molds,
  • yarns or rovings or fiber tapes are impregnated with plastic matrix material during clamping through one or more impregnating stations arranged side by side, which are located between the unwinding station and the forming tool,
  • the first mold is then moved between at least some of the grippers and the yarn transfer point, that the impregnated, spanned yarns or rovings or fiber tapes are draped as a layer over the first forming tool
  • the first molding tool is rotated by an angle between 30 and 90 °.
  • the advantages of the method according to the invention can be used well.
  • the forming takes place together with the help of the or the other molds individually after draping each layer or only after draping several layers together. This depends, among other things, on the matrix material used.
  • thermoset in particular an epoxy resin or polyurethane, is particularly preferably used as the plastic matrix material, the layers being heated to a temperature of between 60 and 200 ° C. during forming with the further molding tool or after forming in order to harden the matrix material.
  • thermoplastic in particular PEEK or PPS or polyamide (PA)
  • PA polyamide
  • the layers being heated to a temperature between 200 and 400 ° C. during clamping or draping in order to make the matrix material deformable .
  • the component is then cooled to consolidate it.
  • the plastic matrix matehal required for the component is preferably predominantly, in particular completely, applied by the impregnation stations. As a result, subsequently no matrix material must be brought between the fibers. However, further matrix material, eg together with fiber syringes, can be cast or applied to the formed component.
  • FIG. 2 shows a device according to the invention during draping
  • FIG. 3 shows a device according to the invention during forming
  • FIG. 4 shows another device according to the invention during clamping - top view
  • the yarns or rovings or fiber tapes 20,21 are provided in the form of bobbins or bobbins in the unwind stations 3,4.
  • a spreader 1 1 is used.
  • the rovings are guided so that the individual yarns flat to lie next to each other.
  • the spread yarns or rovings or fiber tapes 22 are passed through an impregnation station 10, which is shown here as a resin bath, as would be suitable, for example, for epoxy resins as a plastic matrix material.
  • the fibers take with them the plastic matrix material required for the layer. Excess resin is separated by a squeegee device 13 with top and bottom doctor blades.
  • the impregnated yarns or rovings or fiber tapes 23 are clamped or held so that their beginnings can be gripped by the grippers 5 which are in the pick-up position 6.
  • the grippers 5 can be formed for example by two jaws. With a guide device 9, the grippers 5 are then moved on mutually parallel paths as far as maximum position 7, as is necessary for the desired component shape. They clamp the impregnated yarns or rovings or fiber tapes 24 between the first mold 1 and the further mold 2.
  • the first mold 1 is located on a lifting and rotating table 12 and can be rotated on the table or with the table.
  • the further mold 2 is shown in this case as a hood. Also possible would be several other molds that are used simultaneously or sequentially, for example in the form of stamps.
  • the yarns or rovings or fiber tapes When clamping, ie when moving the gripper 5 in the direction of maximum position 7 to an intermediate position depending on the component shape, the yarns or rovings or fiber tapes are unwound from the unwinding stations 3,4, spread and pulled through the impregnation station 10, so that with the necessary matrix material impregnated yarns or rovings or fiber tapes 24 are clamped. A subsequent feeding or injecting matrix material is eliminated.
  • the fact that the yarns or rovings or fiber tapes are impregnated in individual layers and not as a complete multi-layer fiber preform, a more reliable impregnation without dry spots is achieved.
  • first layer 25 which is already stored on the first mold 1.
  • the current position of spanned fibers 24 can now be stored at a certain angle, preferably between 30 and 90 °.
  • individual layers can also be deposited one after the other at the same angle. For example, to achieve certain anisotropic component properties or to achieve a better and more uniform impregnation at a high fiber content.
  • the storage direction can be adjusted via the turntable 12 for the individual layers and can be tailored to the subsequent component load.
  • the yarn transfer point 8 and thus the pick-up position 6 between spreader 1 1 and impregnation 10 are provided. If no spreading device is present, as may be the case with the use of fiber tapes, the yarn transfer point 8 is then between the unwinding station 3, 4 and the impregnating station 10. In order to allow the yarns or rovings or fiber tapes to be gripped, the impregnating station 10 must be opened or moved upwards can be moved down that the grippers can be moved on their linear travel from the maximum position 7 to the pickup position 6 at the yarn transfer point 8. After the first pull through until shortly after the impregnation station 10, this is then closed again and is ready for impregnation.
  • Fig.1b is the plan view of the device shown in Fig.1. It can be seen that there are several unwinding stations 3, 4 and a plurality of individually and parallel movable grippers 5. The number of unwinding stations depends on the desired density of the fiber structure and on the size of the components.
  • the grippers 5 can also be set close to contour on the first mold 1 to different intermediate positions even with non-rectangular or more complex shapes. Depending on the component shape, the width of the gripper 5 can be between 30 and 600 mm. It can also be used side by side with different width gripper.
  • an impregnation station 10 for all juxtaposed yarns or rovings or Used fiber tapes.
  • the squeegee device 13 can be made uniform over the width or in segments individually adjustable.
  • Fig.2 the process of draping is shown with the previously described device.
  • the first mold 1 is moved with the lifting table 12 into the clamped cooking or rovings or fiber tapes, so that it is positioned between the grippers 5 and the yarn transfer point 8.
  • the yarns or rovings or fiber tapes are draped as layer 26 over the first mold 1.
  • the layer 26 is another layer above the layer 25.
  • the yarns or rovings or fiber tapes can be retraced - from the unwinding 3.4 by the impregnation 10th
  • a tension measurement for the yarn tension can also be provided.
  • the further mold 2 is lowered as a hood on the draped yarns or rovings or slivers, and thus generates in cooperation with the first mold 1, the desired component shape.
  • the molds 1, 2 can preferably be designed so that a certain pressure is exerted on the component in order to press the layers together and to squeeze existing air.
  • the further molding tool 2 and / or the first molding tool 1 can be heated, so that the matrix material can be cured.
  • the heating is preferably carried out so that the component can be heated to 60 to 200 ° C.
  • a separating device is provided, which cuts the yarns or rovings or fiber tapes between yarn transfer point 6 and mold 1, 2 after forming. Then the molds 1, 2 can be moved apart again and the grippers 5 can again span yarns or rovings or fiber tapes for another layer.
  • the first mold 1 can be rotated as needed. Also, the further mold 2 can be rotated or it can be replaced.
  • thermoplastic as a plastic matrix material
  • a heating device not shown in the figures is provided for heating. This can be arranged in the region of the impregnation station 10 or in the region of the molding tools 1, 2 or in between. Preferably, it is designed as an IR heater. The component should reach 200 to 400 ° C in this case.
  • first and / or the further mold 1, 2 may also be the first and / or the further mold 1, 2 heated to support the heating or take over completely. Thereafter, the component must still be cooled by means of a cooling device not shown separately. Alternatively, the first and / or the further mold 1, 2 may be cooled to perform the consolidation in the mold.
  • Figures 5 to 8 show various embodiments for impregnating stations as they can be used in devices or methods according to the invention.
  • Fig.5 shows a Hechränkbad.
  • resin 16 for example, epoxy resin presented.
  • guide rollers 14 the splayed yarns or rovings or fiber tapes are performed in the bathroom. With the help of the pulleys 15, the resin is applied to these. With a two-sided doctor device 13 excess resin is stripped off. By the speed and the squeegee device 13, the amount of resin can be controlled. Thereafter, the impregnated yarns or rovings or fiber tapes 23 are received at the yarn transfer point 8 by the grippers. If the yarn transfer point is arranged differently than shown in front of the impregnation station, the resin bath with the lower rollers can downwards and the upper rollers can be moved upwards, so that a passage for the gripper can be opened.
  • FIG. 6 describes a film application plant. From supply rolls 18.1 thermoplastic films 16.1 are unwound and applied by means of guide rollers 14.1 on the yarns or rovings or fiber tapes 22. About heated pulleys 15.2, which serve as a calendering and which may be as well as the guide rollers optionally pressed against each other, the thermoplastic films are heated to the extent that they connect well with the yarns or rovings or fiber tapes. The cooled pulleys 17 consolidate the thermoplastic again slightly. The cooling rollers can also be omitted.
  • FIG. 7 a spray applicator is shown.
  • Matrix material is sprayed by one or more spray nozzles 18.2 as droplets or spray threads 16.2 on the yarns or rovings or fiber tapes 22.
  • the guide rollers 14.2 hold the yarns or rovings or fiber tapes 22 at the desired distance.
  • the impregnated yarns or rovings or fiber tapes 23.2 are transported to the yarn transfer point.
  • a Pulverarguesstechnik can be constructed as impregnation.
  • FIG. 8 represents an extrusion application unit.
  • Thermoplastic matrix material is plasticized in an extruder 18.3 and applied as layer 16.3 to the yarns or rovings or fiber tapes 22 by means of guide rollers 14.3.
  • still cooled deflecting rollers 17 may be provided for partial consolidation. Similar to an extrusion applicator, a melt of thermoplastic can be applied via a slot die instead of the extruder.
  • the impregnation station can be designed such that the upper rollers and components can be moved upwards and the lower rollers and components can be moved downwards so that the passage for the grippers is opened can.
  • All illustrated variants for the application of the matrix material can be designed as several impregnation stations next to one another, so that different application quantities can be set as required across the width.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Reinforced Plastic Materials (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)

Abstract

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung 3-dimensionaler Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff, wobei die Vorrichtung mehrere Abwickelstationen (3,3'4,4') für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings oder Fasertapes (20,21), ein erstes (1,1 ') und eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge (2), und mehrere Greifer (5,5'), die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings oder Fasertapes (22) an ihrem Anfang greifen und zwischen dem ersten Formwerkzeug (1,1') und dem oder den weiteren Formwerkzeugen (2) aufspannen können, aufweist; wobei jeder Greifer (5,5') auf einem zu den anderen Greifern im Wesentlichen parallelen Pfad zwischen einer Maximalposition (7,7') und einer Abholposition (6,6') an einer Garnübergabestelle (8,8') hin und her bewegbar ist, wobei eine oder mehrere nebeneinander angeordnete Imprägnierstationen (10,10') zum Aufbringen von Kunststoff-Matrixmaterial zwischen Abwickelstation (3,3',4,4') und Formwerkzeug (1,1 ',2) vorgesehen sind, welche die Garne oder Rovings oder Fasertapes (23,23.1,23.2,23.3) beim Aufspannen imprägnieren können, wobei das erste Formwerkzeug (1,1') so zwischen zumindest einige der Greifer (5,5') und die Garnübergabestelle (8,8') bewegt werden kann, dass die imprägnierten, aufgespannten Garne oder Rovings oder Fasertapes (24) als eine Lage (25,26) über das erste Formwerkzeug (1,1 ') drapiert werden und wobei das oder die weiteren Formwerkzeuge (2) auf der dem ersten Formwerkzeug (1,1') gegenüberliegenden Seite der aufgespannten Garne oder Rovings oder Fasertapes (24) angeordnet sind und so verfahrbar sind, dass sie die drapierte Lage (25,26,28) an das erste Formwerkzeug (1,1') drücken und damit umformen kann.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten
Kunststoffbauteilen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung 3- dimensionaler Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff.
Faserverstärkte Kunststoffbauteile weisen eine Struktur aus Verstärkungsfasern auf, welche in ein Kunststoff-Matrixmaterial eingebettet ist. Für komplexere und hochwertigere Bauteile ist oftmals eine mehrlagige Faserstruktur mit möglichst belastungsgerecht angeordneten Faserrichtungen notwendig.
Bekannt sind verschiedene Herstellverfahren für 3-dimensionale faserverstärkte Kunststoffbauteile. Ein gängiges Verfahren ist das sogenannte Resin Transfer Molding (RTM), wie es beispielsweises in WO 99/21697 A1 beschrieben ist. Dabei wird zunächst ein Faservorformling gemäß der gewünschten Bauteilform hergestellt, welcher durch geringe Mengen an Bindermaterial, durch Tackern, Klammern oder durch Nähen zusammengehalten wird. Dieser Faservorformling wird anschließend in eine geschlossene Form gelegt, es wird das flüssige Matrixmaterial injiziert, so dass der Faservorformling vollständig mit Matrixmaterial getränkt ist, und das Matrixmaterial wird meist unter Druck ausgehärtet. Anschließend kann das Bauteil aus der Form entnommen werden. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass das vollständige Penetrieren des Matrixmaterials bei mehrlagigen Faservorformlingen schwierig ist. Es besteht die Gefahr das trockene Stellen bleiben, die Fehlstellen im Bauteil verursachen. Oder es muss sehr niedrig-viskoses Matrixmaterial verwendet werden, was die Auswahl und damit die Bauteileigenschaften einschränkt.
Ein weiteres bekanntes Herstellverfahren verwendet sogenannte Prepregs als Halbzeuge, die von Unterlieferanten bezogen werden können. Ein solches Verfahren ist u.a. in DE 102011085770 A1 zusammen mit einer Beschreibung zur Fertigung der Prepregs offenbart. Prepregs sind streifenförmige Fasertapes oder rechteckige Fasermatten oder Fasergewebe, die bereits mit dem benötigten Matrixmaterial imprägniert sind. Aus diesen 2-dimensionalen Prepregs werden geeignete Stücke geschnitten, in oder über ein Formwerkzeug drapiert und miteinander verpresst, sowie ausgehärtet bzw. konsolidiert. Prepregs erfordern ein kompliziertes Handling und sind teuer. Solche mit Duromer-Matrixmaterial müssen nach der Herstellung eingefroren werden, um den Aushärteprozess zu stoppen, und sind nur kurzzeitig lagerfähig. Vor der Verwendung müssen sie dann aufgetaut werden.
Prepregs mit thermoplastischem Matrixmaterial werden meist vor der Verwendung stark erhitzt, so dass sie weich und umformbar werden. Nachteilig ist, dass die flächigen Prepregs nur sehr eingeschränkt und aufwändig automatisch zugeschnitten und drapiert werden können und dass sie bei der 3-dimensionalen Umformung verzogen werden oder Falten bilden, wodurch die optimale Festigkeit nicht erreicht wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes, zuverlässigeres und gut automatisierbares Verfahren zu entwickeln und eine zur Umsetzung des Verfahrens geeignete Vorrichtung bereitzustellen, wobei keine Gefahr von trockenen Stellen besteht und so, dass auf das komplizierte Handling von Prepregs verzichtet werden kann. Das Ziel ist, Bauteile mit besonderen Anforderungen und komplexeren Formen trotzdem kostengünstig herstellen zu können.
Die Aufgabe wird für die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie mehrere Abwickelstationen für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings oder Fasertapes,
- ein erstes und eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge,
- und mehrere Greifer, die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings oder Fasertapes an ihrem Anfang greifen und zwischen dem ersten Formwerkzeug und dem oder den weiteren Formwerkzeugen aufspannen können, aufweist;
- wobei jeder Greifer auf einem zu den anderen Greifern im Wesentlichen parallelen Pfad zwischen einer Maximalposition und einer Abholposition an einer
Garnübergabestelle hin und her bewegbar ist,
- wobei eine oder mehrere nebeneinander angeordnete Imprägnierstationen zum Aufbringen von Kunststoff-Matrixmaterial zwischen Abwickelstation und Formwerkzeug vorgesehen sind, welche die Garne oder Rovings oder Fasertapes beim Aufspannen imprägnieren können,
- wobei das erste Formwerkzeug so zwischen zumindest einige der Greifer und die Garnübergabestelle bewegt werden kann, dass die imprägnierten, aufgespannten Garne oder Rovings oder Fasertapes als eine Lage über das erste Formwerkzeug drapiert werden
- und wobei das oder die weiteren Formwerkzeuge auf der dem ersten Formwerkzeug gegenüberliegenden Seite der aufgespannten Garne oder Rovings oder Fasertapes angeordnet sind und so verfahrbar sind, dass sie die drapierte Lage an das erste Formwerkzeug drücken und damit umformen können.
Der Vorteil der Erfindung ist, dass in einer Vorrichtung bzw. in einem durchgängigen Verfahren Fasern in einer Lage aufgespannt, mit Kunststoff- Matrixmaterial imprägniert, drapiert und 3-dimensional umgeformt werden können. Bevorzugt ist nach dem Drapieren keine weitere Zugabe von Matrixmaterial, welches zwischen die Fasern gelangen soll, mehr notwendig. Dadurch dass die Fasern beim Aufspannen, d.h. beim Aufziehen imprägniert werden, ist eine gute Durchdringung ohne trockene Stellen gewährleistet. Und dadurch dass die Fasern erst kurz vor dem Drapieren imprägniert werden, entfällt das aufwändige Aufwickeln/Abwickeln und Lagern/Transportieren der imprägnierten Fasermaterialien, wie es bei Prepregs unvermeidbar ist.
Die Fasern sind bevorzugt Carbon-, Glas- oder Aramidfasern. Von einem Garn spricht man bei Verwendung sogenannter Endlosfasern, d.h. wenn die Fasern von einer Spule oder einem Knäuel abgewickelt werden. Zahlreiche Garne, die unverdreht nebeneinander liegen und gleichzeitig von einer Spule oder aus einem Knäuel abgewickelt werden, nennt man Garnbündel oder Roving. Dabei können die Rovings aus bis zu mehreren Zehntausend Einzelgarnen, auch Filamente genannt, bestehen. Bevorzugt werden Rovings mit 3.000, 6.000, 12.000, 24.000 oder 48.000 bzw. 50.000 Garnen verwendet. Fasertapes sind schmale Bänder aus Gewebe, Gelege oder Vlies von Endlosfasern, welche mechanisch oder mit kleinen Mengen Bindermaterial fixiert sind. Bevorzugte Breiten der Tapes liegen zwischen 10 und 300 mm. Das Matrixmaterial kann bevorzugt duromerischer Kunststoff, insbesondere Epoxidharz, Polyurethan oder anderes Harz, oder bevorzugt thermoplastischer Kunststoff, insbesondere PEEK, PPS oder ein Polyamid (PA), sein. Es kann insbesondere auch ein Guss-Polyamid oder ein in-situ polymerisierbares Polyamid, wie bespielsweise Cyclic Butylene Terephtalate (CBT) oder Polybutylene Terephtalate (PBT), verwendet werden.
Insbesondere bei der Verwendung von Rovings wird dieser, bevor der Greifer ihn greift, in einer Spreizeinrichtung, die zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle angeordnet ist, so gespreizt, dass die einzelnen Fasern parallel nebeneinander laufen. Jeder Greifer kann auch mehrere Rovings nebeneinander greifen, zum Beispiel 2, 3, 4 oder 5 Rovings nebeneinander, so dass ein breiteres Band von einem Greifer aufgespannt wird. Bevorzugt werden die Greifer geradlinig zwischen Maxi mal position und Abholposition bewegt. Die Breite der Greifer beträgt bevorzugt zwischen 30 und 600 mm, besonders bevorzugt zwischen 50 und 200 mm. Bei kleineren Breiten benötigt man zuviel Mechanik um die vielen Greifer zu bewegen und bei größeren Breiten werden die Zugkräfte zu groß bzw. die Gleichmäßigkeit in der Spannung ist zu schwierig zu gewährleisten.
Die Imprägnierstation ist bevorzugt zwischen Abwickelstation und Garnübergabestelle angeordnet. Alternativ kann die Imprägnierstation auch zwischen Garnübergabestelle und den Formwerkzeugen angeordnet sein. Dazu muss dann die Imprägnierstation so verfahren bzw. geöffnet werden können, dass ein Durchgang für die Greifer auf ihrem linearen Weg frei wird.
Durch das Aneinanderpressen zwischen dem ersten und dem oder den weiteren Formwerkzeugen, werden die Lagen gut miteinander verbunden und eventuell vorhandene Luft ausgepresst. Nach dem Drapieren oder nach dem Umformen werden mit Hilfe zumindest einer Trenneinrichtung die Garne oder Rovings oder Fasertapes zwischen Garnübergabestelle und Formwerkzeugen nahe an den Greifern getrennt. Besonders vorteilhaft, kann die Vorrichtung angewendet werden, wenn komplexe, mehrlagige Bauteile hergestellt werden. Dazu kann das erste Formwerkzeug in der Vorrichtung gedreht werden, so dass auf eine drapierte Lage aus imprägnierten Garnen oder Rovings oder Fasertapes mit Hilfe der Greifer eine weitere Lage aus imprägnierten Garnen oder Rovings oder Fasertapes mit einer anderen Faserrichtung, bevorzugt um einen Winkel zwischen 30° und 90° gedreht aufgebracht werden kann. Je nach Anforderungen an das Bauteil können verschiedene Lagen darunter auch mehrere Lagen mit gleicher Richtung aufgebracht werden. Eine mögliche Abfolge könnte beispielsweise sein 0 0 + 457 - 457 907 - 457 + 457 07 0°.
Die Drehung des ersten Formwerkzeuges kann auf einem Hubtisch oder zusammen mit einem Hubtisch erfolgen, welcher die Bewegung des ersten Formwerkzeuges zwischen die Greifer und die Garnübergabestelle ausführen kann. Ebenso können die weiteren Formwerkzeuge drehbar ausgeführt sein.
Eines der weiteren Formwerkzeuge kann als Haube ausgebildet sein. Durch das Zusammenwirken der Formwerkzeuge können somit die Lagen miteinander verpresst werden. Die Haube kann optional beheizbar sein, um zum Beispiel bei Verwendung von Duromer das Matrixmaterial aushärten zu können. Sie kann aber auch optional kühlbar sein, um bei Verwendung von Thermoplast, dieses zur Konsolidierung abkühlen zu können. Alternativ können allerdings auch mehrere weitere Formwerkzeuge, z.B. in Form von Stempeln vorgesehen sein, so dass kompliziertere Formen mit beispielsweise mehrstufiger Umformung möglich sind. Auch wenn mehrere Formwerkzeuge, z.B. Stempel vorgesehen sind, können diese beheizbar ausgeführt sein, um eine leichtere Verformung des Thermoplasts oder ein schnelleres Aushärten des Duromers zu erreichen. Bevorzugt ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die die drapierten Lagen oder die aufgespannten imprägnierten Garne oder Rovings oder Fasertapes auf eine Temperatur zwischen 60 und 400°C erwärmen kann. Ein besonders bevorzugter Bereich für die Temperatur ist 60 bis 200°C, um Duromer auszuhärten. Und ein anderer bevorzugter Bereich ist 200 bis 400°C, um Themoplast verformbar zu machen. Die Heizeinrichtung ist bevorzugt als IR-Heizeinrichtung oder als Durchlauf- und/oder Umluftofen ausgeführt. Zum Vorwärmen vor dem Verformen kann sie im Bereich der Imprägnierstation oder im Bereich der Formwerkzeuge oder dazwischen vorgesehen sein. Zum Aushärten des Matrixmaterials ist die Heizeinrichtung bevorzugt im Bereich der Formwerkzeuge angeordnet.
Bei Verwendung von Thermoplast ist es vorteilhaft, eine Kühleinrichtung zum Abkühlen des Bauteils nach oder während des Kontaktes mit dem oder den weiteren Formwerkzeugen vorzusehen. Eine Abkühlung ist notwendig, um das Bauteil zu konsolidieren.
Dadurch dass die einzelnen Greifer bevorzugt voneinander unabhängig gleichzeitig bewegt werden können und die Garne oder Rovings oder Fasertapes jeweils auf verschiedenen Zwischenpositionen zwischen Abholposition und Maxi mal position halten können, wird es möglich verschiedene Bauteilgeometrien konturnah anzufahren, so dass wenig Abfall an imprägniertem Fasermaterial anfällt.
Für die Imprägnierstationen gibt es verschiedene bevorzugte Ausführungsformen: als Pulverauftragswerk oder als Sprühstation oder als Extrusionsauftragswerk oder als Folienapplikationswerk oder als Tränkbad. Je nach verwendetem Matrixmaterial und benötigter Menge bieten die verschiedenen Ausführungsformen Vorteile. Besonders geeignet für Duromere ist das Tränkbad. Besonders geeignet für Thermoplaste ist das Folienapplikations- oder das Extrusionsauftragswerk. Sprühstation und Pulverauftragswerk sind für beides gut geeignet. In jedem Fall kann vorteilhafterweise eine Kalandriereinrichtung vorhanden sein, beispielsweise einer oder mehrere Nips gebildet aus zwei Walzen, die das Kunststoff-Matrixmaterial in die Faserstruktur hineinpressen oder hineinwalken.
Um die Matrixmaterialmenge zu kontrollieren ist es von Vorteil, dass zumindest eine Rakelvorrichtung vorgesehen ist, die überschüssiges Kunststoff- Matrixmaterial nach dem Auftrag von den Garnen oder Rovings oder Fasertapes abstreift. Besonders bevorzugt wird die Rakelvorrichtung in Kombination mit einem Tränkbad als Imprägnierstation eingesetzt. Um bei unterschiedlichen benötigten Garn-, Roving- oder Fasertape-Längen das Matrixmaterial passend zuführen zu können, kann jedem Greifer eine separat in der Auftragsmenge steuerbare Imprägnierstation oder eine separat steuerbare Rakelvorrichtung zugeordnet sein. Damit können beispielsweise auch unterschiedliche Verfahrgeschwindigkeiten der einzelnen Greifer kompensiert werden. Besonders geeignet für unterschiedliche Auftragsmengen sind Sprühstation und Pulverauftragswerk. Aber auch die anderen Auftragswerke können entsprechend ausgeführt werden. Zum Beispiel durch schmale Thermoplastfolienstreifen. Für das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
Garne oder Rovings oder Fasertapes von mehreren Abwickelstationen bereitgestellt werden,
- mehrere nebeneinander angeordnete Greifer an einer zugeordneten Garnübergabestelle die Garne oder Rovings oder Fasertapes greifen und durch Bewegung entlang im Wesentlichen zueinander paralleler Pfade zwischen einem ersten Formwerkzeug und einem oder mehreren weiteren Formwerkzeugen aufspannen,
- wobei die Garne oder Rovings oder Fasertapes beim Aufspannen durch eine oder mehrere nebeneinander angeordnete Imprägnierstationen, die sich zwischen Abwickelstation und Formwerkzeug befinden, mit Kunststoff-Matrixmaterial imprägniert werden,
- wobei das erste Formwerkzeug anschließend so zwischen zumindest einige der Greifer und die Garnübergabestelle bewegt wird, dass die imprägnierten, aufgespannten Garne oder Rovings oder Fasertapes als eine Lage über das erste Formwerkzeug drapiert werden
- und wobei das oder die weiteren Formwerkzeuge so verfahren werden, dass die drapierte Lage an das erste Formwerkzeug gedrückt und damit umgeformt wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits oben bei der Vorrichtung beschrieben.
Weiterhin wird bevorzugt nach der einen Lage eine oder mehrere weitere Lagen nach erfindungsgemäßem Aufspannen mit den Greifern und Imprägnieren auf dem Formwerkzeug drapiert werden, wobei zumindest vor dem Ablegen einer der weiteren Lagen das erste Formwerkzeug um einen Winkel zwischen 30 und 90° gedreht wird. Besonders bei mehrlagigen, komplexeren Bauteilen lassen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gut nutzen.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, dass die Umformung mit Hilfe des oder der weiteren Formwerkzeuge einzeln nach dem Drapieren jeder Lage oder erst nach dem Drapieren mehrerer Lagen gemeinsam erfolgt. Das hängt unter anderem vom verwendeten Matrixmaterial ab.
Besonders bevorzugt wird als Kunststoff-Matrixmaterial ein Duromer, insbesondere ein Epoxidharz oder Polyurethan, verwendet, wobei die Lagen beim Umformen mit dem weiteren Formwerkzeug oder nach dem Umformen auf eine Temperatur zwischen 60 und 200°C erwärmt werden, um das Matrixmaterial auszuhärten.
Weiterhin kann besonders bevorzugt als Kunststoff-Matrixmaterial ein Thermoplast, insbesondere PEEK oder PPS oder Polyamid (PA), eingesetzt werden, wobei die Lagen beim Aufspannen oder beim Drapieren auf eine Temperatur zwischen 200 und 400°C erwärmt wird, um das Matrixmaterial verformbar zu machen. Beim oder nach dem Umformen wird das Bauteil dann gekühlt, um es zu konsolidieren. Bevorzugt wird das für das Bauteil notwendige Kunststoff-Matrixmatehal zum überwiegenden Teil, insbesondere vollständig, durch die Imprägnierstationen aufgebracht. Dadurch muss nachträglich kein Matrixmaterial mehr zwischen die Fasern gebracht werden. Es kann allerdings weiteres Matrixmaterial, z.B. zusammen mit Faserspritzen, an das umgeformte Bauteil angegossen oder angesetzt werden.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Fig.1a Eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. eine Vorrichtung für die
Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens beim Aufspannen der Garne, Rovings oder Fasertapes - Seitenansicht Fig.1b Draufsicht beim Aufspannen
Fig.2 Eine erfindungsgemäße Vorrichtung beim Drapieren
Fig.3 Eine erfindungsgemäße Vorrichtung beim Umformen
Fig.4 Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung beim Aufspannen - Draufsicht
Fig.5 Ein Harztränkbad als Imprägnierstation
Fig.6 Ein Folienapplikationswerk als Imprägnierstation
Fig.7 Eine Sprühstation als Imprägnierstation
Fig.8 Ein Extrusionsauftragswerk als Imprägnierstation
Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Ähnliche Komponenten wurden in den verschiedenen Figuren mit gleicher Nummer und gestrichen bzw. mit Versionsnummer bezeichnet.
Fig.1a zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Garne oder Rovings oder Fasertapes 20,21 werden in Form von Spulen oder Bobbins in den Abwickelstationen 3,4 bereitgestellt. Je größer und komplexer das Bauteil ist, umso mehr Abwickelstationen weist die Vorrichtung auf; zum Beispiel von 10 bis über 100. Sie können als sogenanntes Spulengatter ausgeführt sein. Besonders bei Verwendung von Rovings kommt eine Spreizeinrichtung 1 1 zum Einsatz. Hier werden die Rovings so geführt, dass die einzelnen Garne flach nebeneinander zu liegen kommen. Die gespreizten Garne oder Rovings oder Fasertapes 22 werden durch eine Imprägnierstation 10 geführt, die hier als Harztränkbad dargestellt ist, wie es beispielsweise für Epoxidharze als Kunststoff- Matrixmaterial geeignet wäre. Die Fasern nehmen beim Durchlaufen das für die Lage benötigte Kunststoff-Matrixmaterial mit. Überschüssiges Harz wird durch eine Rakelvorrichtung 13 mit oben und unten angelegten Rakeln abgetrennt. An der Garnübergabestelle 8 werden die imprägnierten Garne oder Rovings oder Fasertapes 23 so geklemmt oder gehalten, dass ihre Anfänge von den Greifern 5, die sich in der Abholposition 6 befinden, gegriffen werden können. Die Greifer 5 können beispielsweise durch zwei Klemmbacken gebildet werden. Mit einer Führungsvorrichtung 9 werden die Greifer 5 dann auf zueinander parallelen Pfaden soweit in Richtung Maximalposition 7 verfahren, wie es für die gewünschte Bauteilform notwendig ist. Dabei spannen sie die imprägnierten Garne oder Rovings oder Fasertapes 24 zwischen dem ersten Formwerkzeug 1 und dem weiteren Formwerkzeug 2 auf. Das erste Formwerkzeug 1 befindet sich auf einem Hub- und Drehtisch 12 und kann auf dem Tisch oder mit dem Tisch gedreht werden. Das weitere Formwerkzeug 2 ist in diesem Fall als Haube dargestellt. Möglich wären auch mehrere weitere Formwerkzeuge, die gleichzeitig oder nacheinander eingesetzt werden, z.B. in Form von Stempeln.
Beim Aufspannen, d.h. beim Verfahren der Greifer 5 in Richtung Maximalposition 7 bis zu einer je nach Bauteilform vorgegebenen Zwischenposition werden die Garne oder Rovings oder Fasertapes von den Abwickelstationen 3,4 abgespult, gespreizt und durch die Imprägnierstation 10 gezogen, so dass mit dem notwendigen Matrixmaterial imprägnierte Garne oder Rovings oder Fasertapes 24 aufgespannt werden. Ein späteres Zuführen oder Injizieren von Matrixmaterial entfällt. Dadurch dass die Garne oder Rovings oder Fasertapes in Einzellagen imprägniert werden und nicht als kompletter mehrlagiger Faservorformling, wird eine zuverlässigere Imprägnierung ohne trockene Stellen erreicht. Und da die Garne oder Rovings oder Fasertapes immer erst kurz vor dem Aufspannen imprägniert werden, entfällt die Notwendigkeit imprägniertes Fasermaterial aufzuwickeln, längere Zeit aufzubewahren und wieder abzuwickeln, wie es beispielsweise bei der nachteiligen Verwendung von Prepregs notwendig ist. Dargestellt ist zusätzlich eine erste Lage 25, die bereits auf dem ersten Formwerkzeug 1 abgelegt ist. Die aktuelle Lage an aufgespannten Fasern 24 kann nun in einem gewissen Winkel, bevorzugt zwischen 30 und 90° abgelegt werden. Es können allerdings auch einzelne Lagen im gleichen Winkel nacheinander abgelegt werden. Zum Beispiel um gewisse anisotrope Bauteileigenschaften zu erzielen oder um bei einem hohen Faseranteil eine bessere und gleichmäßigere Imprägnierung erzielen zu können. Die Ablagerichtung ist über den Drehtisch 12 für die einzelnen Lagen einstellbar und kann gezielt auf die spätere Bauteilbelastung abgestimmt werden.
Als weitere nicht dargestellte Ausführungsform kann die Garnübergabestelle 8 und damit die Abholposition 6 auch zwischen Spreizeinrichtung 1 1 und Imprägnierstation 10 vorgesehen werden. Ist keine Spreizeinrichtung vorhanden, wie eventuell bei Verwendung von Fasertapes, ist die Garnübergabestelle 8 dann zwischen Abwickelstation 3,4 und Imprägnierstation 10. Um das Greifen der Garne oder Rovings oder Fasertapes zu ermöglichen, muss dazu die Imprägnierstation 10 so geöffnet bzw. nach oben oder unten weggefahren werden können, dass die Greifer auf ihrem linearen Verfahrweg von der Maximalposition 7 bis zur Abholposition 6 an der Garnübergabestelle 8 bewegt werden können. Nach dem ersten Durchziehen bis kurz hinter der Imprägnierstation 10 wird diese dann wieder geschlossen und ist bereit für die Imprägnierung.
Fig.1 b ist die Draufsicht zu der in Fig.1 a gezeigten Vorrichtung. Zu erkennen ist, dass mehrere Abwickelstationen 3,4 vorhanden sind und mehrere einzeln und parallel verfahrbare Greifer 5. Die Anzahl der Abwickelstationen richtet sich nach der gewünschten Dichte der Faserstruktur und nach der Größe der Bauteile. Die Greifer 5 können auch bei nicht rechteckigen oder komplexeren Formen konturnah am ersten Formwerkzeug 1 auf unterschiedliche Zwischenpositionen gestellt werden. Je nach Bauteilform kann die Breite der Greifer 5 zwischen 30 und 600 mm liegen. Es können auch unterschiedlich breite Greifer nebeneinander eingesetzt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Imprägnierstation 10 für alle nebeneinander geführten Garne oder Rovings oder Fasertapes verwendet. Es können aber auch mehrere nebeneinander angeordnete Imprägnierstationen vorgesehen sein, zum Beispiel um unterschiedliche Auftragsmengen an Matrixmaterial zu ermöglichen. Ebenso kann die Rakelvorrichtung 13 einheitlich über der Breite oder in Segmenten einzeln einstellbar ausgeführt sein.
In Fig.2 ist der Vorgang des Drapierens mit der vorher beschriebenen Vorrichtung dargestellt. Das erste Formwerkzeug 1 wird mit dem Hubtisch 12 in die aufgespannten Garen oder Rovings oder Fasertapes hineingefahren, so dass es zwischen den Greifern 5 und der Garnübergabestelle 8 positioniert ist. Dadurch werden die Garne oder Rovings oder Fasertapes als Lage 26 über das erste Formwerkzeug 1 drapiert. In diesem Beispiel ist die Lage 26 eine weitere Lage über der Lage 25. Um die dafür benötigte Faserlänge bei konstanter bzw. nicht zu hoher Spannung bereitzustellen, können die Garne oder Rovings oder Fasertapes nachgezogen werden - aus den Abwickelstationen 3,4 durch die Imprägnierstation 10. Gegebenenfalls kann auch eine Spannungsmessung für die Garnspannung vorgesehen werden.
Fig.3 zeigt die beschrieben Vorrichtung beim Umformen. Dazu wird das weitere Formwerkzeug 2 als Haube auf die drapierten Garne oder Rovings oder Faserbänder abgesenkt, und erzeugt somit im Zusammenwirken mit dem ersten Formwerkzeug 1 die gewünschte Bauteilform. Die Formwerkzeuge 1 ,2 können bevorzugt so ausgeführt werden, dass ein gewisser Pressdruck auf das Bauteil ausgeübt wird, um die Lagen miteinander zu verpressen und vorhandene Luft abzupressen.
Beim Verwenden von Duromer als Matrixmaterial kann das weitere Formwerkzeug 2 und/oder das erste Formwerkzeug 1 beheizt sein, so dass das Matrixmaterial ausgehärtet werden kann. Bevorzugt ist die Beheizung in diesem Falle so ausgeführt, dass das Bauteil auf 60 bis 200°C erhitzt werden kann. Weiterhin ist eine Trennvorrichtung vorgesehen, die nach dem Umformen die Garne oder Rovings oder Fasertapes zwischen Garnübergabestelle 6 und Formwerkzeug 1 ,2 durchtrennt. Dann können die Formwerkzeuge 1 ,2 wieder auseinander gefahren werden und die Greifer 5 können erneut Garne oder Rovings oder Fasertapes für eine weitere Lage aufspannen. Das erste Formwerkzeug 1 kann je nach Bedarf gedreht werden. Auch das weitere Formwerkzeug 2 kann gedreht werden oder es kann ausgewechselt werden. Es ist auch möglich, nach dem Drapieren einer Lage bereits die Garne oder Rovings oder Fasertapes zu durchtrennen und dann eine weitere Lage, eventuell unter anderem Winkel zu drapieren, bevor die Lagen gemeinsam umgeformt werden. Auch das Aushärten durch Erhitzen kann für einzelne Lagen oder mehrere Lagen gemeinsam erfolgen. Bei Verwendung von Thermoplast als Kunststoff-Matrixmaterial muss dieses meistens erwärmt werden, um formbar zu sein. Anschließend muss es gekühlt werden, damit es konsolidiert. Bevorzugt wird zur Erhitzung eine in den Figuren nicht dargestellte Heizeinrichtung vorgesehen. Diese kann im Bereich der Imprägnierstation 10 oder im Bereich der Formwerkzeuge 1 ,2 oder dazwischen angeordnet sein. Bevorzugt ist sie als IR-Heizvorrichtung ausgeführt. Das Bauteil sollte in diesem Falle 200 bis 400°C erreichen. Es kann auch das erste und/oder das weitere Formwerkzeug 1 ,2 beheizt sein, um das Erwärmen zu Unterstützen oder ganz zu übernehmen. Danach muss das Bauteil noch mit Hilfe einer nicht extra dargestellten Kühleinrichtung gekühlt werden. Alternativ kann das erste und/oder das weitere Formwerkzeug 1 ,2 kühlbar sein, um die Konsolidierung in der Form durchzuführen.
Fig.4 stellt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. Hierbei wird deutlich wie die Greifer 5' auf unterschiedliche Zwischenpositionen konturnahe verfahren werden. Damit kann unnötiger und teurer Abfall an imprägniertem, nicht weiterverwendbarem Fasermaterial vermieden werden. Der Übersichtlichkeit halber sind die Garne oder Rovings oder Fasertapes, die die übereinander abgelegten Lagen 28 bilden, nur im Bereich des ersten Formwerzeuges V gezeigt und ansonsten nicht dargestellt.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen verschiedene Ausführungsformen für Imprägnierstationen wie sie in erfindungsgemäßen Vorrichtungen oder Verfahren eingesetzt werden können. Fig.5 zeigt ein Harztränkbad. In einem Imprägnierbecken 18 wird Harz 16, zum Beispiel Epoxidharz, vorgelegt. Über Führungsrollen 14 werden die gespreizten Garne oder Rovings oder Fasertapes in das Bad geführt. Mit Hilfe der Umlenkrollen 15 wird das Harz auf diese aufgetragen. Mit einer beidseitigen Rakelvorrichtung 13 wird überschüssiges Harz abgestriffen. Durch die Geschwindigkeit und die Rakelvorrichtung 13 kann die Harzmenge kontrolliert werden. Danach werden die imprägnierten Garne oder Rovings oder Fasertapes 23 an der Garnübergabestelle 8 von den Greifern aufgenommen. Falls die Garnübergabestelle anders als dargestellt vor der Imprägnierstation angeordnet ist, können das Harztränkbad mit den unteren Walzen nach unten und können die oberen Walzen nach oben verfahrbar sein, so dass ein Durchgang für die Greifer geöffnet werden kann.
Die Fig.6 beschreibt ein Folienapplikationswerk. Von Vorratsrollen 18.1 werden Thermoplastfolien 16.1 abgewickelt und mit Hilfe von Führungsrollen 14.1 auf die Garne oder Rovings oder Fasertapes 22 appliziert. Über beheizte Umlenkrollen 15.2, die als Kalandriereinrichtung dienen und die ebenso wie die Führungsrollen gegebenenfalls aneinander pressbar ausgeführt sein können, werden die Thermoplastfolien soweit erwärmt, dass sie sich gut mit den Garnen oder Rovings oder Fasertapes verbinden. Die gekühlten Umlenkrollen 17 konsolidieren das Thermoplast wieder etwas. Die Kühlrollen können auch entfallen.
In Fig.7 ist ein Sprühauftragswerk dargestellt. Matrixmaterial wird von einer oder mehreren Sprühdüsen 18.2 als Tröpfchen oder Sprühfäden 16.2 auf die Garne oder Rovings oder Fasertapes 22 aufgesprüht. Die Führungsrollen 14.2 halten die Garne oder Rovings oder Fasertapes 22 im gewünschten Abstand. Die imprägnierten Garne oder Rovings oder Fasertapes 23.2 werden zur Garnübergabestelle transportiert. In ähnlicher Weise kann auch ein Pulverauftragswerk als Imprägnierstation aufgebaut sein. Fig.8 stellt ein Extrusionsauftragswerk dar. Thermoplastisches Matrixmaterial wird in einem Extruder 18.3 plastifiziert und als Schicht 16.3 auf die Garne oder Rovings oder Fasertapes 22 mit Hilfe von Führungsrollen 14.3 aufgetragen. Beheizte Umlenkrollen 15.3, die als Kalandriereinrichtung dienen können, sorgen für eine gute Verbindung und Imprägnierung. Optional können noch gekühlte Umlenkrollen 17 zur teilweisen Konsolidierung vorgesehen sein. Ähnlich wie mit einem Extrusionsauftragswerk kann über eine Breitschlitzdüse anstelle des Extruders auch eine Schmelze von Thermoplast aufgetragen werden.
Auch in den Ausführungsbeispielen mit Folienapplikationswerk oder mit Sprüh-, Pulver- oder Vorhangauftragswerk kann die Imprägnierstation so ausgeführt werden, dass die oberen Walzen und Komponenten nach oben und die unteren Walzen und Komponenten nach unten verfahrbar sind, so dass der Durchgang für die Greifer geöffnet werden kann. Alle dargestellten Varianten für den Auftrag des Matrixmaterials können als mehrere Imprägnierstationen nebeneinander ausgeführt sein, so dass verschiedene Auftragsmengen je nach Bedarf über der Breite einstellbar sind.
Bezugszeichenliste
I , 1 ' erstes Formwerkzeug
2 weiteres Formwerkzeug
3,3',4,4' Abwickelstationen
5,5' Reihe von Greifern
6,6' Lage der Abholpositionen
7,7' Lage der Maximalpositionen
8,8' Garnübergabestelle
9,9' Führungsvorrichtung der Greifer
10,10' Imprägnierstation
I I , 1 1 ' Spreizeinrichtung
12 Hub- und Drehtisch
13 Rakelvorrichtung
14,14.1 ,14.2,14.3 Führungsrollen
15 Umlenkrollen zum Imprägnieren
15.1 ,15.3 beheizte Umlenkrollen zum Imprägnieren
16 Harz
16.1 Thermoplastfolie
16.2 Tröpfchen oder Sprühfäden von Matrixmaterial 16.3 Schicht aus Matrixmaterial
17 gekühlte Umlenkrollen
18 Imprägnierbecken
18.1 Vorratsrollen
18.2 Sprühdüse
18.3 Extruder
20,21 Garne oder Rovings oder Fasertapes
22 gespreizt Garne oder Rovings oder Fasertapes 23,23.1 ,23.2,23.3 imprägnierte Garne oder Rovings oder Fasertapes
24 aufgespannte Garne oder Rovings oder Fasertapes 25 eine Lage auf dem ersten Formwerkzeug
26 drapierte Lage
27 umgeformte Lage
28 mehrere Lagen auf erstem Formwerkzeug

Claims

Patentansprüche
1 . Vornchtung zur Herstellung 3-dimensionaler Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff, welche
- mehrere Abwickelstationen (3,3'4,4') für die Bereitstellung mehrerer Garne oder Rovings oder Fasertapes (20,21 ),
- ein erstes (1 ,1 ') und eines oder mehrere weitere Formwerkzeuge (2),
- und mehrere Greifer (5,5'), die jeweils einzelne oder mehrere Garne oder Rovings oder Fasertapes (22) an ihrem Anfang greifen und zwischen dem ersten Formwerkzeug (1 ,1 ') und dem oder den weiteren Formwerkzeugen (2) aufspannen können, aufweist;
- wobei jeder Greifer (5,5') auf einem zu den anderen Greifern im Wesentlichen parallelen Pfad zwischen einer Maximalposition(7,7') und einer Abholposition (6,6') an einer Garnübergabestelle (8,8') hin und her bewegbar ist,
- wobei eine oder mehrere nebeneinander angeordnete Imprägnierstationen (10,10') zum Aufbringen von Kunststoff-Matrixmaterial zwischen Abwickelstation (3,3',4,4') und Formwerkzeug (1 ,1 ',2) vorgesehen sind, welche die Garne oder Rovings oder Fasertapes (23,23.1 ,23.2,23.3) beim Aufspannen imprägnieren können,
- wobei das erste Formwerkzeug (1 ,1 ',2) so zwischen zumindest einige der Greifer (5,5') und die Garnübergabestelle (8,8') bewegt werden kann, dass die imprägnierten, aufgespannten Garne oder Rovings oder Fasertapes (24) als eine Lage (25,26) über das erste Formwerkzeug (1 ,1 ') drapiert werden
- und wobei das oder die weiteren Formwerkzeuge (2) auf der dem ersten Formwerkzeug (1 ,1 ') gegenüberliegenden Seite der aufgespannten Garne oder
Rovings oder Fasertapes (24) angeordnet sind und so verfahrbar sind, dass sie die drapierte Lage (25,26,28) an das erste Formwerkzeug (1 ,1 ') drücken und damit umformen können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Formwerkzeug (1 ,1 ') in der Vorrichtung gedreht werden kann, so dass auf eine drapierte Lage (25,26) aus imprägnierten Garnen oder Rovings oder Fasertapes mit Hilfe der Greifer (5,5') eine weitere Lage (26,28) aus imprägnierten Garnen oder Rovings oder Fasertapes mit einer anderen Faserrichtung, bevorzugt um einen Winkel zwischen 30° und 90° gedreht aufgebracht werden kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
dass eines der weiteren Formwerkzeuge (2) als Haube ausgebildet ist
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, die die drapierten Lagen (25,26,28) oder die aufgespannten imprägnierten Garne oder Rovings oder Fasertapes (24) auf eine Temperatur zwischen 60 und 400°C erwärmen kann.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Kühleinrichtung zum Abkühlen des Bauteils nach oder während des Kontaktes mit dem oder den weiteren Formwerkzeugen (2) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelnen Greifer (5,5') voneinander unabhängig gleichzeitig bewegt werden können und die Garne oder Rovings oder Fasertapes (24) jeweils auf verschiedenen Zwischenpositionen zwischen Abholposition (6,6') und Maxi mal position (7,7') halten können.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass die Imprägnierstation(en) (10,10') als Pulverauftragswerk oder als Sprühstation oder als Extrusionsauftragswerk oder als Folienapplikationswerk oder als Tränkbad ausgeführt sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest eine Rakelvorrichtung (13) vorgesehen ist, die überschüssiges Kunststoff-Matrixmaterial nach dem Auftrag von den Garnen oder Rovings oder Fasertapes (23) abstreift.
9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass jedem Greifer (5,5') eine separat in der Auftragsmenge steuerbare Imprägnierstation (10,10') oder eine separat steuerbare Rakelvorrichtung (13) zugeordnet ist.
10. Verfahren zur Herstellung 3-dimensionaler Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem
- Garne oder Rovings oder Fasertapes (20,21 ) von mehreren Abwickelstationen (3,3'4,4') bereitgestellt werden,
- mehrere nebeneinander angeordnete Greifer (5,5') an einer zugeordneten Garnübergabestelle (8,8') die Garne oder Rovings oder Fasertapes (22) greifen und durch Bewegung entlang im Wesentlichen zueinander paralleler Pfade zwischen einem ersten Formwerkzeug (1 ,1 ') und einem oder mehreren weiteren Formwerkzeugen (2,) aufspannen,
- wobei die Garne oder Rovings oder Fasertapes (23,23.1 ,23.2,23.3) beim Aufspannen durch eine oder mehrere nebeneinander angeordneten Imprägnierstationen (10,10'), die sich zwischen Abwickelstation (3,3',4,4') und Formwerkzeug (1 ,1 ',2) befinden, mit Kunststoff-Matrixmaterial imprägniert werden,
- wobei das erste Formwerkzeug (1 ,1 ') anschließend so zwischen zumindest einige der Greifer (5,5') und die Garnübergabestelle (8,8') bewegt wird, dass die imprägnierten, aufgespannten Garne oder Rovings oder Fasertapes (24) als eine Lage (25,26) über das erste Formwerkzeug (1 ,1 ') drapiert werden
- und wobei das oder die weiteren Formwerkzeuge (2) so verfahren werden, dass die drapierte Lage (25,26,28) an das erste Formwerkzeug gedrückt und damit umgeformt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10
dadurch gekennzeichnet,
dass nach der einen Lage (25,26) eine oder mehrere weitere Lagen (26,28), wie in Anspruch 10 beschrieben, auf dem ersten Formwerkzeug (1 ,1 ') drapiert werden, wobei zumindest vor dem Ablegen einer der weiteren Lagen (26,28) das erste Formwerkzeug (1 ,1 ') um einen Winkel zwischen 30 und 90° gedreht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1
dadurch gekennzeichnet,
dass die Umformung mit Hilfe des oder der weiteren Formwerkzeuge (2) einzeln nach dem Drapieren jeder Lage (25,26) oder nach dem Drapieren mehrerer Lagen (25,26,28) erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Duromer, insbesondere ein Epoxydharz oder Polyurethan, ist und die Lagen (27) beim Umformen mit dem weiteren Formwerkzeug (2) oder nach dem Umformen auf eine Temperatur zwischen 60 und 200°C erwärmt werden, um das Matrixmaterial auszuhärten.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kunststoff-Matrixmaterial ein Thermoplast, insbesondere PEEK oder PPS oder Polyamid (PA), ist und die Lagen beim Aufspannen (24) oder beim Drapieren (26) auf eine Temperatur zwischen 200 und 400°C erwärmt wird, um das Matrixmaterial verformbar zu machen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14
dadurch gekennzeichnet,
dass das für das Bauteil notwendige Kunststoff-Matrixmaterial zum überwiegenden Teil, bevorzugt vollständig, durch die Imprägnierstationen (10,10') aufgebracht wird.
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