DE102016102689A1

DE102016102689A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen und Vorformling

Info

Publication number: DE102016102689A1
Application number: DE102016102689.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Graf
Original assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Current assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: WO2017140752A1; DE102016102689B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen offenbart, umfassend: Platzieren von mehreren Lagen (21, 22, 23, 24) von Fasergeweben und/oder Fasergelegen zum Ausbilden eines mehrschichtigen Lagenaufbaus (11), und Drapieren des Lagenaufbaus (11). In dem Verfahren weist zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24) des Lagenaufbaus (11) zumindest eine Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) auf, welche an einem Umfang der betreffenden Lage (21, 22, 23, 24) so ausgebildet ist, dass die seitlich über den mehrschichtigen Lagenaufbau (11) hinaus vorsteht. Nachdem die zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24) aus Fasergewebe und/oder Fasergelege, die eine Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) aufweist, zum Ausbilden des mehrschichtigen Lagenaufbaus (11) platziert wurde, erfolgt ein Greifen der Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) mit einer Greifeinrichtung (21b, 22b, 23b, 24b), und während des Drapierens wird mittels der Greifeinrichtung (21b, 22b, 23b, 24b) eine Zugspannung auf die Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) angewandt. Zudem betreffen die Anmeldung weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen sowie ein Vorformling.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen nach Anspruch 19 sowie ein Vorformling nach Anspruch 25.
Im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, auch Faserverbundbauteile genannt, ist insbesondere als industrielle Verwendung das RTM-Verfahren, Resin-Transfer-Moulding-Verfahren, gängige Praxis. Der gesamte Herstellungsprozess bis zu einem verwendungsfähigen Kunststoffbauteilen besteht aus mehreren nachfolgend ablaufenden Einzelprozessen. In einem ersten Verfahrensschritt werden endkonturnahe Vorformlinge/Faserhalbzeuge hergestellt, die im Wesentlichen bereits die äußere Form des späteren Kunststoffbauteils aufweisen. In diesem Preform-Prozess (Herstellung eines Vorformlings) werden in der Regel mehrere Lagen Gewebe oder Fasergelege, üblicher Weise in zweidimensionaler Form, gestapelt oder ggf. gefügt (Nähen, Verschweißen, Kleben), so dass der Fasergewebestapel im Wesentlichen bereits die notwendigen äußeren Konturen und teilweise auch bereits besondere Schichten oder Schichtdicken bzw. lokale Besonderheiten aufweist ( WO 2012 156 524 A1 ). Vorzugsweise wird ein Binder in die Trennebenen der Schichten eingebracht, der nach Erreichen einer umgeformten dreidimensionalen Form und seiner Aktivierung und Aushärtung zu einer Fixierung der Schichten zueinander und der entsprechenden 3D Kontur führt ( WO 2012 156 523 A1 ).
Für den Preform-Prozess werden die Gewebestapel in ein Umformwerkzeug überführt und meist unter (relativ geringem) Druck durch Schließen des Umformwerkzeuges soweit der Kontur des späteren Formteiles angenähert und durch Aktivierung des Binders (Aufheizen und Abkühlen) ausgehärtet, so dass das Faserhalbzeug endkonturnah in ein Werkzeug einer Presse zur Durchführung des RTM-Verfahrens selbst eingelegt werden kann ( WO 2010 103 471 A2 ).
Je nach Bedarf wird das Faserhalbzeug noch nachgeschnitten oder an vorgegebenen Stellen ausgestanzt, um eine noch präzisere Kontur des Faserhalbzeuges (Vorformlings) gegenüber dem späteren Kunststoffbauteil zu erreichen. Nach dem Einlegen des Faserhalbzeugs in das Werkzeug einer Presse, die vorzugsweise für das RTM-Verfahren geeignet ist, werden die Werkzeughälften geschlossen und das notwendige Harz in die Kavität des Werkzeuges injiziert, wobei das Harz die Faserstruktur des Faserhalbzeuges imprägniert, die Fasern einschließt und fest in die Harzmatrix einbindet. Nach dem Aushärten des Harzes kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil entformt werden.
Neben dem RTM-Verfahren selbst legt bereits die Herstellung eines Faserhalbzeuges den Grundstein für den Erfolg bei der Herstellung eines Kunststoffbauteiles.
Hierzu ist im Stand der Technik eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Herstellung eines 3D-Vorformlings bekannt.
So sind für die 3D-Umformung von mehrlagigen zweidimensionalen Zuschnitten aus Fasergeweben beispielsweise die folgenden Verfahrensschritte bekannt: Es werden Fasergewebe oder -gelege von einer Rolle abgewickelt und je nach Bedarf aus mehreren verschiedenen Geweben oder Gelegen, Formen und Größen zu einem Faserstapel zusammengelegt. Dabei kann es notwendig sein, die Außen- und ggf. Innenkontur entsprechend einem Schnittmuster des Vorformlings respektive des Kunststoffformteils zu bearbeiten oder zuzuschneiden. Das Schnittmuster wird dabei aus einer Abwicklung des Vorformlings, oder des Endbauteils erzeugt. Vorzugsweise wird dann der erstellte, im Wesentlichen ebene Faserstapel mittels einer Drapiervorrichtung drapiert, respektive in eine dreidimensionale Vorform umgeformt ( WO 2012 062 824 A1 , WO 2012 062 825 A1 , WO 2012 062 828 A1 ), wobei die Drapiervorrichtung eine Drapierform, auch als Matrize bezeichnet, sowie zur Drapierform verfahrbare Drapiermitteln, Insbesondere Stempel, welche als Drapierstempel oder Fixierstempel ausgebildet sein können, umfasst. Für das Legen des Faserstapels kann beispielsweise eine Greifeinrichtung verwendet werden, wie beispielsweise aus WO 2012 156 524 A1 auch bekannt, mit der entsprechende textilen Zuschnitte aufgenommen und an einer Oberfläche eines Formwerkzeugs, oder an weitere textile Strukturen, die an dem Formwerkzeug angeordnet sind, abgelegt werden können.
Andere bekannte automatisierte Preformtechniken zur Herstellung von Vorformlingen (Preform) verwenden einen festen Spannrahmen, in dem der gesamte Lagenaufbau eines Fasergeleges, bestehend aus mehreren Fasermattenzuschnitten an den Außenkanten eingespannt gehalten wird. Im Spannrahmen wird das Fasergelege erhitzt, um den Binder aufzuschmelzen. Im nächsten Schritt wird der Lagenaufbau in einer Umformpresse mit Ober- und Unterwerkzeug umgeformt. Das gekühlte Werkzeug bringt den Binder zum Erstarren, wodurch der Vorformling stabilisiert wird ( DE 10 2010 040 970 A1 ).
Es ist ebenfalls bekannt, einen Spannrahmen mit einer Vielzahl von Spannelementen vorzusehen, die das Faserhalbzeug randseitig an dessen Umfang klemmen, wobei die Spannelemente einzeln vertikal verstellbar sind ( DE 10 2013 008 697 A1 ). Bekannt ist zudem auch eine Verstellung der Spannelemente in horizontaler Richtung.
Beim Drapieren von mehrlagig aufgebauten Preforms in eine komplexe 3D Geometrie können unerwünschte Falten und Wellen in der Preform entstehen. Die Wellen und Falten entstehen in der Praxis daher, dass, insbesondere bei doppelt gekrümmten Bauteilen, die gestreckten Längen der Fasern über die Fläche unterschiedlich sind und hierdurch ein differenziertes Einziehen durch paralleles Abgleiten der Faserstränge stattfindet. Da dies jedoch durch Reibung und die Vernähung behindert wird, entstehen Bereiche, in denen die Fasern unter Zugspannung stehen, und Bereiche, in denen die Fasern unter Druckspannung stehen. Daneben werden die darüber oder darunter liegende Faserschichten, mit verschoben und damit in Ihrer Faserorientierung verändert. Hierdurch werden die Bauteileigenschaften erheblich geschwächt, was dazu führt, dass die Bauteile entsprechend mit dicken Wandstärken ausgelegt werden müssen.
Um dieses Problem zu adressieren, wird in DE 10 2012 024 060 A1 vorgeschlagen, einen Spannrahmen vorzusehen, in dem eine Lage eines Faserhalbzeugs umfänglich mit einer Vielzahl von Klemmelementen eingespannt wird, wobei die Klemmelemente einzeln verstellbar sind, so dass für einzelne Klemmelemente eine Spannkraft und eine Spannrichtung bedarfsgerecht gewählt werden kann. Für Faserhalbzeuge aus mehreren Lagen kann auch für jede Lage ein separater Einzelspannrahmen vorgesehen werden, wobei durch das separate Spannen von Einzellagen in Einzelspannrahmen ermöglicht wird, das gesamte, die Einzellagen umfassende Faserhalbzeug gleichzeitig und reproduzierbar umzuformen, ohne dass es einer zeitlich gestaffelten Schichtung der einzelnen Lagen bedarf.
Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise eine Bildung von unerwünschten Falten und Wellen wirksam unterbunden werden kann.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass diese Spannrahmen üblicher Weise erfordern, dass die jeweiligen Lagen von im Wesentlichen gleicher Form sind, das heißt, im Wesentlichen denselben Umriss aufweisen. Dies ist notwendig, damit mehrere Lagen von Fasergelegen oder Fasergeweben zu einem Faserstapel gelegt werden können, ohne dass dabei die einzelnen Spannrahmen, bzw. die an den Spannrahmen befestigten Klemm- oder Spannwerkzeuge sich gegenseitig behindern, oder an einer Stelle zu liegen kommen, an der sie das Ablegen einer nächsten Lage an dieser Stelle auf dem Faserstapel unmöglich machen oder sonst negativ behindern. Aus diesem Grund eignen sich derartige Spannrahmen nur zur Ablage und für das Drapieren von im Wesentlichen vollflächigen Lagen von im Wesentlichen gleicher Kontur. Darüber hinaus erfordern diese Spannrahmen, auf Grund des Umstands, dass die einzelnen Lagen üblicher Weise entlang ihres gesamten Umfangs in den jeweiligen Spannrahmen gehalten und gespannt werden, dass die einzelnen Lagen entlang ihres gesamten Umfangs entsprechend größer bemessen sein müssen, so dass sich über die eigentliche, gewünschte Kontur hinaus ein entsprechender Rand von beispielsweise mehreren Zentimetern weite erstreckt, an dem die jeweiligen Lagen in den Klemm- oder Spannwerkzeugen der Spannrahmen gehalten werden können. Dies bedingt einen erhöhten Materialverbrauch, mit entsprechenden Mehrkosten.
Darüber hinaus kann bei diesen Spannrahmen ein automatisches Greifen und Spannen einzelner Lagen üblicher Weise nur derart erfolgen, dass eine einzelne, jeweilige Lage beispielsweise auf einem separaten Tisch, wie einem Zuschneid- oder Bereitstellungstisch einzeln bereitgestellt wird, so dass der Spannrahmen die Lage an ihrem Umfang greifen kann. Wollte man hingegen zuerst einen Faserstapel ausbilden, und erst nach dem Ausbilden des Faserstapels die Spannrahmen anbringen wollen, um die einzelnen Lagen des Faserstapels in den Spannrahmen zu klemmen, so würde dies erfordern, dass die in dem bereits ausgebildeten Faserstapel übereinander liegenden und sich überlappenden Lagen zuerst voneinander trennt, um die einzelnen Lagen voneinander zu trennen und gezielt in die jeweiligen Spannrahmen einzuführen. Dies könnte nur auf manuelle Weise bewerkstelligt werden, was ein derartiges Vorgehen für eine automatisierte Fertigung unpraktisch macht. Ähnlich erweisen sich Spannrahmen, insbesondere Spannrahmen für jede einzelne Lage, oftmals auch dann unpraktisch, wenn zuerst ein Faserstapel ausgebildet werden soll, der erst nach der Ausbildung in eine Drapiervorrichtung überführt werden soll. In diesem Fall müssen mit dem Faserstapel auch alle Spannrahmen mitbewegt werden, was die Handhabung oftmals schwierig macht. Die Verwendung von Spannrahmen oder ähnlichen Vorrichtungen wie Klemmleiste, in welchen das Fasergewebe bzw. Fasergelege geklemmt wird, zum Handling von Einzellagen haben ferner den Nachteil, dass sich das Fasergewebe bzw. Fasergelege durch sein Eigengewicht durchhängt und sich dabei schon während des Handlings schert und deformiert wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen sowie ein Vorformling anzugeben, welche die vorstehenden Nachteile überwindet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen sowie ein Vorformling anzugeben, welche sich für eine Automatisierung eignet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen sowie ein Vorformling anzugeben, welche sich flexibel auf unterschiedliche Herstellungsweisen anwenden lässt und flexibel anwendbar ist.
Es ist nochmals eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen sowie ein Vorformling anzugeben, wodurch eine möglichst kostengünstige Herstellung ermöglicht wird.
Als eine Lösung wird Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen angegeben, umfassend: Platzieren von mehreren Lagen von Fasergeweben und/oder Fasergelegen zum Ausbilden eines mehrschichtigen Lagenaufbaus, und Drapieren des Lagenaufbaus, wobei zumindest eine Lage, bevorzugt mehrere Lagen, besonders bevorzugt alle Lagen des Lagenaufbaus jeweils zumindest eine Zugfahne aufweisen, welche an einem Umfang der betreffenden Lage so ausgebildet ist, dass die Zugfahne seitlich über den Lagenaufbau hinaus vorsteht, nachdem die zumindest eine Lage aus Fasergewebe und/oder Fasergelege, die eine Zugfahne aufweist, zum Ausbilden des Lagenaufbaus platziert wurde, Greifen der Zugfahne mit einer Greifeinrichtung, wobei während des Drapierens mittels der Greifeinrichtungen auf jede jeweilige Zugfahne eine Zugspannung angewandt wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich gemacht, dass ein mehrschichtiger Lagenaufbau, zum Beispiel ein Faserstapel, auf beliebige bekannte Weisen ausgebildet wird, wobei die Zugfahnen es erlauben, dass die einzelnen Lagen des Lagenaufbaus auch noch nach Ablegen und Platzieren der Lagen im Lagenaufbau sicher und automatisch gegriffen werden können. Es ist daher nicht notwendig, einen Spannrahmen vorzusehen, und es ist nicht notwendig, die einzelnen Lagen bereits bei der Aufnahme nach dem Zuschneiden zu Greifen und zu Halten. Gleichzeitig erlauben die Greifeinrichtungen, die an den Zugfahnen angreifen, dass die einzelnen Lagen individuell in Zugrichtung, Angriffspunkt, Spannungsniveau und zeitlicher Abfolge manipuliert werden können, so dass zu geeigneten Zeitabschnitten während des Drapiervorgangs die einzelnen Lagen in eine jeweils vorgegebene, definierte Richtung gezogen werden und/oder definierte Zugkräfte eingebracht werden können. Zudem kann durch die Verwendung von Zugfahnen, welche dann gezielt während des Drapierens eine Scherung im Material erzeugen, der Transport der Lage aus Fasergewebe oder Fasergelege spannungsarm und insbesondere ohne Durchhängung der Lage erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der mehrschichtige Lagenaufbau zumindest eine mit einer Zugfahne ausgebildete Lage mit einer ersten Faserorientierung aufweist, welche zwischen Lagen aus zumindest einer anderen Faserorientierung platziert ist, und dass während des Drapierens die Lage der ersten Faserorientierung mittels der, die Zugfahne der Lage der ersten Faserorientierung greifenden Greifeinrichtung in Richtung der Faserorientierung oder in eine von der Faserorientierung abweichend Richtung gezogen wird.
Vorzugsweise kann der mehrschichtige Lagenaufbau zumindest eine mit einer Zugfahne ausgebildete Lage aus einem 45°/–45° Biaxialgelege aufweisen, welche zwischen Lagen aus 0°/90° Gelegen platziert ist, wobei die Lage aus dem 45°/–45° Biaxialgelege während des Drapierens mittels der, die Zugfahne der Lage aus dem 45°/–45° Biaxialgelege greifenden Greifeinrichtung in 0° Richtung gezogen wird. Auf diese Weise kann die Scherung des 45°/–45° Biaxialgeleges beim Drapieren unterstützt und einer Faltenbildung vorgebeugt werden.
Vorzugsweise sind die Zugfahnen so angeordnet, dass sie sich paarweise nicht oder nur teilweise überlappen, wobei eine Überlappung weniger als 40%, bevorzugt weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 20% beträgt. Indem auf diese Weise sichergestellt wird, dass jede einzelne Zugfahne einen Bereich aufweist, der sich mit keiner anderen Zugfahne überlappt, kann sichergestellt werden, dass in diesem nicht überlappten Bereich mit der für diese Zugfahne vorgesehenen Greifeinrichtung die Zugfahne sicher gegriffen werden kann, ohne dass dabei die Gefahr besteht, dass gleichzeitig eine andere Zugfahne gegriffen würde.
Es kann vorgesehen sein, dass sich die Zugfahnen umfänglich über eine Länge des Umfangs der jeweiligen Lage von 2 cm bis 20 cm, bevorzugt von 5 cm bis 15 cm, besonders bevorzugt von 5 cm bis 10 cm erstrecken, und/oder dass die Zugfahnen eine Weite, mit der sie von dem Lagenaufbau, bzw. von einem Umfang anderer Lagen des Lagenaufbaus, seitlich hervorstehen, von 5 cm bis 25 cm, bevorzugt von 8 cm bis 20 cm, besonders bevorzugt von 10 cm bis 15 cm aufweisen. Die Zugfahnen sind hierbei hinreichend groß ausgebildet, um von einer Greifeinrichtung sicher gegriffen werden zu können. Gleichzeitig sind die Zugfahnen nicht oder nur wenig größer als notwendig ausgebildet, so dass ein entsprechend sparsamer Materialeinsatz erzielt wird. Insbesondere ergibt sich eine erhebliche Materialeinsparung im Vergleich zu dem Fall, dass eine Lage mit einem den ganzen Umfang der Lage umfassenden Rand versehen wird, wie es üblicher Weise zum Greifen mit einem Spannrahmen vorgesehen wird.
Das Verfahren kann weiter umfassen, für zumindest eine Zugfahne, nach dem Greifen der Zugfahne, Loslassen der Zugfahne und erneutes Greifen der Zugfahne mit dem Greifwerkzeug. Da mittels der vorliegenden Erfindung ein sicheres Greifen der einzelnen Lagen des mehrschichtigen Lagenaufbaus möglich ist, ist es nun auch möglich, den Drapiervorgang mehrstufig auszuführen, wobei in einzelnen Stufen nur einzelne Lagen und/oder nur einzelne Verformungen ausgeführt werden, und wobei zwischen verschiedenen Drapiervorgängen auch andere Bearbeitungen oder Manipulationen ausgeführt werden, bei denen die Greifeinrichtungen hinderlich oder störend sein könnten.
Alternativ oder in Kombination kann das Verfahren aufweisen, dass nach dem Greifen der Zugfahnen mittels der Greifeinrichtungen zumindest eine erste Zugkraft auf zumindest eine Lage ausgeübt wird. Die Zugkraft besitzt dabei eine bestimmte Stärke, welche auf den Prozess des Drapierens abgestimmt und veränderbar ist, und eine Richtung, welche der Faserorientierung entsprechen oder von dieser abweichen kann. Hierdurch kann gezielt auf das Drapieren Einfluss genommen werden und das Drapieren sowie der herzustellende Vorformling optimiert werden.
Vorzugsweise kann zumindest eine zweite Zugkraft auf zumindest eine Lage ausgeübt wird. Diese kann vorzugsweise an der gleichen Zugfahne oder einer weiteren Zugfahne der Lage ausgeübt werden. Alternativ kann die zweite Zugkraft sich auch nur in ihrer Stärke und/oder Ihrer Richtung von der ersten Zugkraft unterscheiden.
Eine weitere Möglichkeit sieht vor, dass das Ausüben von Zugkräften auf die zumindest eine Lage von Entlastungsphasen, in welchen keine Zugkraft auf die Lage wirkt, unterbrochen ist. Somit kann entsprechend des Verhaltens der Lage bzw. der Lagen während des Drapierens die Zugkraft entsprechend angepasst oder auch ausgesetzt werden.
Für das Ausbilden des mehrschichtigen Lagenaufbaus kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Lagen mittels eines Vakuumgreifwerkzeugs und/oder mit einem Spannrahmen und/oder einem Beschicktablett und/ oder einem Beschickband und/oder einem Nadelgreifer platziert werden. So erlaubt die vorliegende Erfindung die Anwendung vielfältiger bekannter Technologien zum Platzieren von Fasergelegen oder Fasergeweben, mit den entsprechend jeweils bekannten Vorteilen und Anwendungsgebieten, und ermöglicht so ein breites Anwendungsgebiet. [Anspruch 11] Insbesondere können die Greifeinrichtungen für die Zugfahne an einem Spannrahmen angeordnet sein. Der Spannrahmen kann somit für eine gewisse Grundspannung der Lage sorgen und über die einzelnen Zugfahnen kann gezielt eine Zugspannung während des Drapierens eingebracht werden.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Lagen unterschiedliche Umrisse und Formen aufweisen.
Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass jede Lage mit einem solchen Form und einem solchen Umriss bereitgestellt und platziert wird, dass nach dem Drapieren des mehrschichtigen Lagenaufbaus, unter Berücksichtigung der jeweiligen, für die einzelnen Lagen im Allgemeinen unterschiedlichen Streckungsverhaltens, der drapierte Lagenaufbau im Wesentlichen eine für den herzustellenden Vorformling gewünschte Endform aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Vorformling mit möglichst wenig Materialaufwand, und entsprechend möglichst geringen Materialkosten herzustellen.
Vorzugsweise kann das Verfahren so ausgebildet sein, dass das Ausbilden des mehrschichtigen Lagenaufbaus in einer Stapeleinrichtung erfolgt, nach Ausbilden des mehrschichtigen Lagenaufbaus der mehrschichtigen Lagenaufbau in eine Drapiervorrichtung befördert wird, welche eine Matrize aufweist, und dass das Drapieren in der Drapiervorrichtung erfolgt, wobei mit einem oder mehreren Drapiermitteln, insbesondere Stempeln der mehrschichtige Lagenaufbau in die Form der Matrize eingedrückt wird.
Alternativ kann das Verfahren bevorzugt so ausgebildet sein, dass der mehrschichtige Lagenaufbau auf einem Formkörper ausgebildet wird, der eine Form für den auszubildenden Vorformling definiert, und dass das Drapieren ausgeführt wird, indem der mehrschichtige Lagenaufbau auf den Formkörper aufgeformt wird.
Dabei kann weiter bevorzugt vorgesehen werden, dass nach Platzieren einer Lage auf den Formkörper oder auf einer bereits platzierten Lage die betreffende Lage drapiert wird. Auf diese Weisen erlaubt die vorliegende Erfindung die Anwendung vielfältiger bekannter Technologien zum Platzieren und Drapieren von Lagen aus Fasergelegen oder Fasergeweben, mit den entsprechend jeweils bekannten Vorteilen und Anwendungsgebieten, und ermöglicht so ein breites Anwendungsgebiet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Greifeinrichtungen an der Drapiervorrichtung, vorzugsweise an der Matrize oder einem Drapiermittel, insbesondere Stempel, festgelegt sind. Die Greifeinrichtungen können dabei auf besonders zuverlässige Weise relativ zum Drapiermittel positioniert und relativ zu diesem bewegt werden, was zu einem sehr zuverlässigen Drapiervorgang mit entsprechender Einbringung von Zugspannungen und/oder Zugbewegungen führt, und damit zu einer Qualitätssteigerung bei der Herstellung des Vorformlings führen kann. Die Stempel können dabei insbesondere als Stempel zum Drapieren und/ oder Stempel zum Fixieren ausgebildet sein.
Als eine weiter Lösung wird eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen angeben, welche insbesondere Durchführung eines Verfahrens wie vorgenannt geeignet ist, wobei die Vorrichtung eine Drapiervorrichtung umfasst, wobei die Drapiervorrichtung eine Matrize umfasst, in welche zumindest eine Lage vorzugsweise mehrere Lagen von Fasergeweben und/oder Fasergelegen ablegbar sind, wobei die Drapiervorrichtung weiterhin mehrere zur Matrize verfahrbare Drapiermittel, insbesondere Stempel, umfasst, wobei zwischen Matrize und den zur Matrize verfahrbaren Drapiermitteln zumindest eine Lage, bevorzugt mehrere Lagen ablegbar sind, wobei an zumindest einer Lage, bevorzugt mehreren Lagen, besonders bevorzugt alle Lagen eine Zugfahne ausgebildet ist, welche an einem Umfang der betreffenden Lage derart angeordnet ist, dass die Zugfahne seitlich über den Lagenaufbau hinaus vorsteht; weiterhin zumindest eine Greifeinrichtung zum Greifen der Zugfahne einer Lage, wobei die Greifeinrichtung derart ausgebildet ist, dass während des Drapierens mittels der Greifeinrichtungen auf jede jeweilige Zugfahne eine Zugspannung angewandt wird.
Alternativ oder in Kombination umfasst die Vorrichtung weiterhin ein Vakuumgreifwerkzeug und/oder ein Spannrahmen und/oder ein Beschicktablett und/ oder ein Beschickband und/oder ein Nadelgreifer zum Platzieren der Lagen in der Drapiervorrichtung. Es können jedoch auch weitere aus dem Stand der Technik bekannte Werkzeuge zum Greifen von Lagen aus Fasergeweben und/oder Fasergelegen verwendet werden wie beispielsweise Nadelgreifer. Zudem können auch mehrere Greifwerkzeuge wie oben aufgeführt zum Platzieren der Lagen in der Drapiervorrichtung angeordnet sein.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Greifeinrichtungen an der Drapiervorrichtung, insbesondere an der Matrize, angeordnet. Es wäre hier auch denkbar, dass die Greifeinrichtungen an einer Grundplatte der Drapiervorrichtung angeordnet sind um eine erhöhte Flexibilität in der Einstellung der Greifeinrichtungen zu ermöglichen.
Vorzugsweise sind die Greifeinrichtungen an den Drapiermitteln, insbesondere den Stempeln angeordnet. Die Greifeinrichtungen können dabei auf besonders zuverlässige Weise relativ zum Drapiermittel positioniert und relativ zu diesem bewegt werden, was zu einem sehr zuverlässigen Drapiervorgang mit entsprechender Einbringung von Zugspannungen und/oder Zugbewegungen führt, und damit zu einer Qualitätssteigerung bei der Herstellung des Vorformlings führen kann. Die Stempel können dabei insbesondere als Stempel zum Drapieren und/ oder Stempel zum Fixieren ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Greifeinrichtungen Klemmbacken zum Klemmen der Zugfahnen auf.
Weiterhin bevorzugt sind die Klemmbacken mit einer Zick-Zack-Struktur oder nutenförmigen Struktur quer zur Zugrichtung und/oder einer rutschfesten Oberfläche, insbesondere aus einem Elastomer, ausgestattet. Insbesondere soll ein sicheres Halten der Zugfahne in der Klemmbacke gewährleistet sein. Dies erlaubt ein sicheres Greifen und Halten der Zugfahnen in der Greifeinrichtung.
Als eine weitere Lösung wird ein Vorformling angegeben, welcher nach einem Verfahren oder einer Vorrichtung wie vorstehend genannt hergestellt wurde.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit den Zeichnungen hervor. Die Erfindung wird im Folgenden im Detail beschrieben werden, mit Bezug auf die Figuren:
1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Industrieanlage zur Herstellung von faserverstärkten Formteilen mit einer vorherigen Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen;
2 zeigt in einer Draufsicht einen beispielhaften Stapel aus Lagen von Fasergeweben und/oder Fasergelegen gemäß einer Ausführungsform;
3 zeigt ein Aufbringen von Zugkräften mittels Klemmvorrichtungen auf den Stapel der 2 während eines Drapiervorgangs;
4A bis 4C dienen zur Erläuterung der unterschiedlichen Einzugs- bzw. Schercharakteristik von 0°/90° Lagen und 45°/–45° Lagen beim Drapieren; und
5 zeigt in einer Draufsicht einen beispielhaften Stapel aus Lagen von Fasergeweben und/oder Fasergelegen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
Mit Bezug auf die 1 wird zunächst auf schematische Weise die Herstellung von faserverstärkten Formteilen mit einer vorherigen Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen beschrieben. In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert eine Industrieanlage 1 zu erkennen, welche letztlich zur Herstellung eines faserverstärkten Formteils 2 mittels eines RTM-Verfahrens in einem Werkzeug 3 in einer Presse 4 dient. Das faserverstärkte Formteil 2 wird dabei aus einem dreidimensional endkonturnah vorgeformten Vorformling 5 hergestellt, welcher zuvor in einigen schematisch dargestellten Schritten erzeugt worden ist. Als Ausgangsbasis für den Vorformling 5 dient ein Fasermaterial, beispielsweise in Form einer Gewebelage, eines Fasergeleges oder dergleichen. Diese kann beispielsweise als Rollenware über eine angedeutete Rolle 6 zur Verfügung gestellt werden.
In einer Schneidvorrichtung 7 wird dann mittels einer Schneideinrichtung 8 aus der Rollenware eine einzelne Lage an Fasergewebe oder Fasergelege beziehungsweise Matte, welche hier so explizit nicht dargestellt ist, zugeschnitten. Anschließend wird diese Lage über eine geeignete Transportvorrichtung, welche in der Darstellung der 1 lediglich durch gebogene Pfeile prinzipmäßig angedeutet ist, einer angedeuteten Einrichtung 9 zugeführt, in welcher ein Binder auf die Lage aufgetragen wird. Dies kann beispielsweise durch Besprühen, Aufwalzen, Tauchen oder dergleichen erfolgen. Alternativ zu diesem Vorgehen mit der Einrichtung 9 zum Auftragen von Binder wäre es auch möglich, das Fasermaterial mit einem entsprechenden Bindemittel vorzuimprägnieren, sodass dieses Material bereits beim Schneiden in der Schneidvorrichtung 7 mit Binder behaftet ist und der Schritt des Imprägnierens in der Einrichtung 9 entfallen kann. Dies ist dem Fachmann jedoch aus dem allgemeinen Stand der Technik geläufig, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.
Nach dem Auftrag des Binders, oder falls dieser Schritt entfällt und der Binder bereits in dem Fasermaterial vorhanden ist, gelangt die Lage an Fasergewebe oder Fasergelege anschließend zu einer Stapeleinrichtung 10, in welcher die einzelnen Lagen zu einem hier angedeuteten mehrschichtigen Lagenaufbau 11 aus Fasergeweben und/oder Fasergelegen aufgestapelt werden. Dabei kann auch ein Verklammern, Vernähen oder sonstiges Verbinden der einzelnen Lagen an Stellen, an denen dies aus konstruktiven Gründen sinnvoll und notwendig ist, vorgesehen sein. Die Lagen aus Fasergewebe und/oder Fasergelege haben nach dem Schneidvorgang in der Schneidvorrichtung 7 typischerweise eine endkonturnahe Form. Dennoch kann auch nach dem Stapeln der Lagen zu dem mehrschichtigen Lagenaufbau 11 in der Stapeleinrichtung 10 ein weiteres Beschneiden, Ausstanzen von Öffnungen oder Ähnliches erfolgen, sofern gewünscht oder erforderlich. Nachdem der mehrschichtigen Lagenaufbau 11 so vorbereitet ist, gelangt dieser in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in eine Heizeinrichtung 12, in der er, wie hier angedeutet, über ein Transportmittel durch einen Ofen, eine Strecke mit infraroter Bestrahlung oder dergleichen geführt wird. Der mehrschichtigen Lagenaufbau 11 wird vorgewärmt und der typischerweise thermisch aktivierbare Binder wird aktiviert beziehungsweise soweit verflüssigt, dass der mehrschichtigen Lagenaufbau 11 zwar noch eine hohe Flexibilität aufweist, aber die in dem mehrschichtigen Lagenaufbau 11 verarbeiteten Fasergewebe und/oder Fasergelege jedoch beim Abkühlen aneinander haften. In anderen, in der 1 nicht dargestellten Ausführungsformen kann auf den die Heizeinrichtung und den Schritt des Aufwärmens verzichtet werden, und der mehrschichtigen Lagenaufbau 11 kann direkt weiter zum nächsten Prozessschritt befördert werden und später einer Heizeinrichtung zugeführt werden.
In einem nächsten Schritt wird der mehrschichtigen Lagenaufbau 11 in eine Drapiervorrichtung 13 befördert. Die Drapiervorrichtung 13 weist dabei eine Matrize 14 auf, welche die spätere Form des dreidimensional vorgeformten Vorformlings 5 abbildet. Über Stempel 15 zur Drapierung und/oder Fixierung wird der mehrschichtigen Lagenaufbau 11 aus Fasergeweben und/oder Fasergelegen nun in die Form dieser Matrize 14 eingedrückt und kühlt typischerweise durch das metallische Material der Matrize 14, welches sehr gut wärmeleitend ist und Wärme aus dem mehrschichtigen Lagenaufbau 11 der Gewebelagen oder Gelegelagen abführt, aus. Hierdurch erstarrt der Binder aus und es entsteht der dreidimensional vorgeformte Vorformling 5, welcher in seiner Formgebung bereits endkonturnah geformt ist und der Form der Matrize 14 und der Stempel 15 folgt. Dabei können die Stempel 15 eingesetzt werden, welche das Fasermaterial festhalten und/oder es werden insbesondere Stempel 15 als Drapierstempel eingesetzt, welche zum Bewegen des Fasermaterials beispielsweise in die Vertiefungen der Matrize 14 dienen. Die Stempel 15 können dabei unterschiedliche Eigenschaften aufweisen und zum Drapieren und/oder Fixieren ausgebildet sein.
Der Vorformling 5 ist dabei durch den ausgehärteten Binder soweit formstabil, dass dieser, ohne seine Form zu verlieren, zumindest weitertransportiert und gegebenenfalls zwischengelagert werden kann. Der Vorformling 5 hat jedoch noch nicht seine endgültige Form und Härte erreicht, diese wird erst im nachfolgenden RTM-Prozess erzielt. Der so in der Drapiervorrichtung 13 vorgeformte und idealerweise in ihr verklebte und ausgehärtete mehrschichtige Lagenaufbau 11 bildet dann den Vorformling 5, welcher, wie oben bereits beschrieben, der Presse 4 für das RTM-Verfahren zugeführt werden kann.
Mit Bezug nun auf die 2 wird ein Beispiel eines mehrschichtigen Lagenaufbaus 11 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die 2 zeigt eine Draufsicht auf einen mehrschichtigen Lagenaufbau 11, der zum Beispiel gebildet wird, indem eine Mehrzahl von einzelnen Lagen an Fasergewebe oder Fasergelege, die beispielsweise in der Schneidvorrichtung 7 der 1 auf eine jeweilige gewünschte Form und mit einem gewünschten Umriss zugeschnitten wurden, aufeinander gestapelt oder anderweitig platziert wurden. In der Draufsicht der 2 ist dabei eine oberste Lage 21 zu erkennen, die auf einer Mehrzahl von weiteren Lagen 22, 23, 24 platziert ist, die in diesem Beispiel im Wesentlichen dieselbe Form bzw. denselben Umriss aufweisen wie die Lage 21 aus Fasergewebe oder Fasergelege. Es wäre jedoch auch denkbar, dass die einzelnen Lagen 21, 22, 23, 24 eine unterschiedliche Form bzw. unterschiedlichen Umriss aufweisen.
Wie in der 2 zu erkennen, ist dabei die Lage 21 so ausgebildet bzw. zugeschnitten, dass diese eine Zugfahne 21a aufweist, Die Zugfahne 21a ist an einer Stelle des Umfangs der Lage 21 angeordnet, an der zu einem späteren Zeitpunkt während des Drapierens eine Zugspannung in die Lage 21 aus Fasergewebe oder Fasergelege eingebracht werden soll. Auch steht die Zugfahne 21a über den mehrschichtigen Lagenaufbau 11, bzw. die von den anderen Lagen 22, 23, 24 an Fasergewebe oder Fasergelege in dem mehrschichtigen Lagenaufbau 11 definierte Umrisskontur, seitlich hinaus, so dass ein Ergreifen der Zugfahne 21a zu einem späteren Zeitpunkt leicht möglich ist. Wie in der 2 weiter zu erkennen, sind auch weitere Lagen 22, 23, 24 in dem mehrschichtigen Lagenaufbau 11 mit entsprechenden Zugfahnen 22a, 23a und 24a versehen, die an jeweils entsprechenden Positionen am Umfang der entsprechenden Lagen 22, 23, 24 vorgesehen sind, an denen später während des Drapierens Zugkräfte in die entsprechenden Lagen 22, 23, 24 eingebracht werden sollen. Dabei sind, wie in 2 dargestellt, die Zugfahnen 21a, 22a, 23a und 24a jeweils so angeordnet, dass es zu keinen Überlappungen von zwei oder mehr Zugfahnen 21a, 22a, 23a, 24a kommt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Zugfahnen 21a, 22a, 23a, 24a jeweils einzeln sicher gegriffen werden können, ohne dass es zu einem unbeabsichtigten Greifen von zwei Zugfahnen 21a, 22a, 23a, 24a mit einer Greifeinrichtung kommt. Es ist dabei jedoch nicht in allen Fällen notwendig, für eine vollständige Überschneidungsfreiheit zu sorgen, und es kann meist ausreichend sein, dass jeweils ein hinreichend großer Bereich einer Zugfahne 21a, 22a, 23a, 24a, beispielsweise mindestens 30% der Fläche einer Zugfahne, frei von Überschneidungen mit anderen Zugfahnen 21a, 22a, 23a, 24a ist, um ein sicheres Greifen in diesem Bereich zu erlauben.
Das Greifen der Zugfahnen 21a, 22a, 23a, 24a ist in der 3 schematisch dargestellt, welche zeigt, wie jede Zugfahne 21a, 22a, 23a und 24a mittels einer jeweiligen, zugeordneten Greifeinrichtung 21b, 22b, 23b und 24b gegriffen wird. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass die Greifeinrichtungen 21b, 22b, 23b und 24b jeweils Klemmbacken 21c, 22c, 23c und 24c aufweisen, zwischen denen die Zugfahnen 21a, 22a, 23a und 24a geklemmt werden. Die Klemmbacken 21c, 22c, 23c und 24c können dabei eine Struktur aufweisen, wie beispielsweise eine Zick-Zack-Struktur oder nutenförmige Struktur, welche ein sicheres Greifen der Lage 21, 22, 23, 24 ermöglicht. Alternativ die Oberflächenstruktur der Klemmbacke 21c, 22c, 23c und 24c, welche direkt mit der Lage 21, 22, 23, 24 in Kontakt kommt, kann besondere Eigenschaften aufweisen. So kann der Reibwert der Oberfläche mittels einer Beschichtung, beispielsweise mit einem Elastomer, erhöht werden oder die Oberfläche kann eine Struktur mit Erhöhungen aufweisen. Während des Drapierens können nun, mittels entsprechender Bewegung und/oder anderweitigen Aktuation der Greifeinrichtungen 21b, 22b, 23b und 24b, Zugspannungen und Zugkräfte auf die Zugfahnen 21a, 22a, 23a und 24a ausgeübt und über diese in die jeweiligen Lagen 21, 22, 23, 24 eingebracht werden. Die Zugspannungen und Zugkräfte werden insbesondere derart eingebracht, um eine Bildung von unerwünschten Falten und Wellen während des Drapierens wirksam zu unterbinden. Das Einbringen von Zugspannungen kann auch dann vorteilhaft sein, um ein besseres Abgleiten von einer Lage 21, 22, 23, 24 auf einer angrenzenden Lage 21, 22, 23, 24 zu ermöglichen oder ein Verschieben der Lagen 21, 22, 23, 24 zueinander zu vermeiden.
Indem mit der vorliegenden Erfindung Zugfahnen 21a, 22a, 23a und 24a vorgesehen werden, welche ein sicheres Greifen durch jeweilige Greifeinrichtungen 21b, 22b, 23b und 24b erlauben, können Lagen 21, 22, 23, 24 unterschiedlichster Größe, Form und Umriss zu einem mehrschichtigen Lagenaufbau 11 gelegt werden, ohne dass es, wie im Fall der Verwendung von Spannrahmen üblicher Weise, notwendig wäre, alle Lagen 21, 22, 23, 24 eine im Wesentlichen gleiche Form und gleichen Umriss aufweisen. So können mit der vorliegenden Erfindung beispielsweise auch einzelne Verstärkungszuschnitte als Lagen 21, 22, 23, 24 in den mehrschichtigen Lagenaufbau 11 eingebracht werden, die nur einen kleinen Teil der Fläche des mehrschichtigen Lagenaufbaus 11 bedecken, und die – mit Ausnahme einer für diesen Verstärkungszuschnitt vorgesehenen Zugfahne 21a, 22a, 23a, 24a – nicht bis zum Rand des mehrschichtigen Lagenaufbaus 11 reichen und nicht über diesen hervorstehen. Dies wird insbesondere auch dadurch ermöglicht, dass die einzelnen Lagen 21, 22, 23, 24, wie insbesondere auch die Verstärkungszuschnitte, auch mit im Stand der Technik bekannten Vakuumgreifwerkzeugen aufgenommen und auf dem mehrschichtigen Lagenaufbau 11 platziert werden können.
Die Möglichkeit, die einzelnen Lagen 21 an Fasergewebe und/oder Fasergelege des mehrschichtigen Lagenaufbaus 11 mit deutlich voneinander abweichenden Formen auszubilden kann auf vorteilhafte Weise auch zur Materialeinsparung genutzt werden. Hierbei kann sich insbesondere zu Nutze gemacht werden, dass unterschiedliche Fasergewebearten und Fasergelegearten ein jeweils unterschiedliches Einzugsverhalten bzw. eine jeweils unterschiedliche Schercharakteristik während des Drapierens aufweisen können. Dies wird beispielhaft mit Bezug auf die 4A bis 4C erläutert.
In der 4 sind beispielhafte Ergebnisse numerischer Simulationen für die Einzugs- bzw. Schercharakteristik von Lagen aus Fasergelegen bzw. Fasergeweben beim Drapieren dargestellt, wobei in der 4A die Einzugs- bzw. Schercharakteristik einer 0°/90° Lage dargestellt ist und in der 4B die Einzugs- bzw. Schercharakteristik einer 45°/–45° Lage dargestellt ist. In beiden Fällen wird dabei angenommen, dass die Lagen ursprünglich als rechteckige Lagen zugeschnitten und bereitgestellt wurden, und diese auf gleiche Weise über einen Formkörper, von dem beispielhaft angenommen wird, dass dieser annähernd Halbkugelförmig ist, drapiert werden. Wie in der 4A und 4B leicht zu erkennen, weisen dabei die 0°/90° Lage und die 45°/–45° Lage eine deutlich unterschiedliche Einzugs- bzw. Schercharakteristik auf. Werden dann die drapierten und folglich entsprechend gestreckten und gezogenen Lagen dann zu der gewünschten Form des Vorformlings bzw. der Preform zugeschnitten, wie in 4C für die 0°/90° Lage und in 4D für die 45°/–45° Lage dargestellt, ergeben sich für die jeweiligen Lagen auch entsprechend unterschiedliche Zuschnittsverluste, die abgeschnitten werden, wie in 4E für die 0°/90° Lage und in 4F für die 45°/–45° Lage dargestellt.
Um die Zuschnittsverluste möglichst gering zu halten, und um auf diese Weise eine entsprechende Materialeinsparung und damit verbunden eine entsprechende Senkung der Materialkosten zu erzielen, kann nun vorgesehen werden, die einzelnen Lagen 21, 22, 23, 24, welche den mehrschichtigen Lagenaufbau 11 bilden sollen, so zuzuschneiden, dass sie, unter Berücksichtigung des Einzugs- und Scherverhaltens während des Drapierens, nach dem Drapieren im Wesentlichen die gewünschte Zielform annehmen. Dies kann bedeuten, dass zum Zeitpunkt des Zuschnitts und des Platzierens der einzelnen Lagen 21, 22, 23, 24 diese jeweils unterschiedliche Formen aufweisen können, und/oder eine Form und Größe aufweisen können, die zumindest abschnittsweise kleiner oder größer ist, als die Größe und Form des zu bildenden Vorformlings.
Dies ist auch schematisch in der 5 dargestellt, welche schematisch einen beispielhaften mehrschichtigen Lagenaufbau 11 in einer Draufsicht zeigt, in welchem die einzelnen Lagen 21, 22, 23, 24 unterschiedliche Formen aufweisen, so dass, wie in der 5 zu erkennen, eine untere Lage 22 abschnittsweise seitlich über die oberste Lage 21 des mehrschichtigen Lagenaufbaus 11 hinaus vorsteht. Dabei sind, wie in der 5 weiter zuerkennen, die einzelnen Zugfahnen 21a, 22a, 23a und 24a weiter ungehindert zugänglich, um von den Greifeinrichtungen 21b, 22b, 23b und 24b gegriffen zu werden.
Des Weiteren können die einzelnen Lagen 21, 22, 23, 24 unter Berücksichtigung der Zugfahne 21a, 22a, 23a, 24a derart ausgebildet sein, dass sie, unter Berücksichtigung der Streckung bzw. des Ziehens während des Drapierens, nach dem Drapieren im Wesentlichen die gewünschte Zielform annehmen und somit die Zugfahnen in die spätere Form mit eingebettet werden.
Die vorliegende Erfindung kann auf vielfältige Weisen eingesetzt und auf vielfältige bekannte Herstellungsprozesse angewandt werden. So kann es, anstatt wie in 1 gezeigt, den mehrschichtigen Lagenaufbau 11 beispielsweise als Faserstapel in einer Stapelvorrichtung 10 auszubilden, die getrennt von einer Drapiervorrichtung 13 vorgesehen ist, auch möglich sein, dass der mehrschichtige Lagenaufbau 11 auf einem Formkörper ausgebildet wird, der eine Form für den auszubildenden Vorformling definiert, und dass das Drapieren ausgeführt wird, indem der mehrschichtige Lagenaufbau 11 auf den Formkörper drapiert und aufgeformt wird. Dabei kann der mehrschichtige Lagenaufbau 11 zuerst vollständig ausgebildet werden, bevor das Drapieren erfolgt.
Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass nach Platzieren einer Lage 21, 22, 23, 24 aus Fasergewebe oder Fasergelege auf den Formkörper oder einer bereits platzierten Lage 21, 22, 23, 24 die betreffende Lage 21, 22, 23, 24 auf den Formkörper bzw. auf eine bereits auf den Formkörper drapierte Lage 21, 22, 23, 24 angeformt und drapiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Industrieanlage
2: Formteil
3: Werkzeug
4: Presse
5: Vorformling
6: Rolle
7: Schneidvorrichtung
8: Schneideinrichtung
9: Einrichtung
10: Stapeleinrichtung
11: Mehrschichtiger Lagenaufbau
12: Heizeinrichtung
13: Drapiervorrichtung
14: Matrize
15: Stempel
21, 22, 23, 24: Lage
21a, 22a, 23a, 24a: Zugfahnen
21b, 22b, 23b, 24b: Greifeinrichtung
21c, 22c, 23c, 24c: Klemmbacken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012156524 A1 [0002, 0007]
WO 2012156523 A1 [0002]
WO 2010103471 A2 [0003]
WO 2012062824 A1 [0007]
WO 2012062825 A1 [0007]
WO 2012062828 A1 [0007]
DE 102010040970 A1 [0008]
DE 102013008697 A1 [0009]
DE 102012024060 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen, umfassend: Platzieren von mehreren Lagen (21, 22, 23, 24) von Fasergeweben und/oder Fasergelegen zum Ausbilden eines mehrschichtigen Lagenaufbaus (11), und Drapieren des Lagenaufbaus (11), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24), bevorzugt mehrere Lagen (21, 22, 23, 24), besonders bevorzugt alle Lagen (21, 22, 23, 24) des Lagenaufbaus (11) jeweils zumindest eine Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) aufweisen, welche an einem Umfang der betreffenden Lage (21, 22, 23, 24) so ausgebildet ist, dass die Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) seitlich über den Lagenaufbau (11) hinaus vorsteht, dass nachdem die zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24) aus Fasergewebe und/oder Fasergelege, die eine Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) aufweist, zum Ausbilden des Lagenaufbaus (11) platziert wurde, die Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) mit einer Greifeinrichtung (21b, 22b, 23b, 24b) gegriffen wird, und dass während des Drapierens mittels der Greifeinrichtungen (21b, 22b, 23b, 24b) auf jede jeweilige Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) eine Zugspannung angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrschichtige Lagenaufbau (11) zumindest eine mit einer Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) ausgebildete Lage (21, 22, 23, 24) mit einer ersten Faserorientierung aufweist, welche zwischen Lagen (21, 22, 23, 24) aus zumindest einer anderen Faserorientierung platziert ist, und dass während des Drapierens die Lage (21, 22, 23, 24) der ersten Faserorientierung mittels der, die Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) der Lage (21, 22, 23, 24) der ersten Faserorientierung greifenden Greifeinrichtung (21b, 22b, 23b, 24b) in Richtung der Faserorientierung oder in eine von der Faserorientierung abweichend Richtung gezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrschichtige Lagenaufbau (11) zumindest eine mit einer Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) ausgebildete Lage (21, 22, 23, 24) aus einem 45°/–45° Biaxialgelege aufweist, das zwischen Lagen (21, 22, 23, 24) aus 0°/90° Gelegen platziert ist, und dass während des Drapierens die Lage (21, 22, 23, 24) aus dem 45°/–45° Biaxialgelege mittels der, die Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) der Lage (21, 22, 23, 24) aus dem 45°/–45° Biaxialgelege greifenden Greifeinrichtung (21b, 22b, 23b, 24b) in 0° Richtung gezogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfahnen (21a, 22a, 23a, 24a) so angeordnet sind, dass sie sich paarweise nicht oder nur teilweise überlappen, wobei eine Überlappung weniger als 40%, bevorzugt weniger als 30%, besonders bevorzugt weniger als 20% beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zugfahnen (21a, 22a, 23a, 24a) umfänglich über eine Länge des Umfangs der jeweiligen Lage (21, 22, 23, 24) von 2 cm bis 20 cm, bevorzugt von 5 cm bis 15 cm, besonders bevorzugt von 5 cm bis 10 cm erstrecken.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugfahnen (21a, 22a, 23a, 24a) eine Weite von 5 cm bis 25 cm, bevorzugt von 8 cm bis 20 cm, besonders bevorzugt von 10 cm bis 15 cm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter umfasst, für zumindest eine Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a), nach dem Greifen der Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a), Loslassen der Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) und erneutes Greifen der Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) mit dem Greifwerkzeug (21b, 22b, 23b, 24b).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Greifen der Zugfahnen (21a, 22a, 23a, 24a) mittels der Greifeinrichtungen (21b, 22b, 23b, 24b) zumindest eine erste Zugkraft auf zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Zugkraft auf zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausüben von Zugkräften auf die zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24) von Entlastungsphasen, in welchen keine Zugkraft auf die Lage (21, 22, 23, 24) wirkt, unterbrochen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen (21, 22, 23, 24) mittels eines Vakuumgreifwerkzeugs und/oder mit einem Spannrahmen und/oder einem Beschicktablett und/ oder einem Beschickband und/oder einem Nadelgreifer platziert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinrichtungen (21b, 22b, 23b, 24b) an einem Spannrahmen angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (21, 22, 23, 24) unterschiedliche Umrisse und Formen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lage (21, 22, 23, 24) mit einer solchen Form und einem solchen Umriss bereitgestellt und platziert wird, dass nach dem Drapieren des mehrschichtigen Lagenaufbaus (11), unter Berücksichtigung der jeweiligen, für die einzelnen Lagen (21, 22, 23, 24) im Allgemeinen unterschiedlichen Streckungsverhaltens, der drapierte Lagenaufbau im Wesentlichen eine für den herzustellenden Vorformling (5) gewünschte Endform aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden des mehrschichtigen Lagenaufbaus (11) in einer Stapeleinrichtung (10) erfolgt, nach Ausbilden des mehrschichtigen Lagenaufbaus (11) der mehrschichtigen Lagenaufbau (11) in eine Drapiervorrichtung (13) befördert wird, welche eine Matrize (14) aufweist, und dass das Drapieren in der Drapiervorrichtung (13) erfolgt, wobei mit einem oder mehreren Drapiermitteln, insbesondere Stempeln (15) der mehrschichtige Lagenaufbau (11) in die Form der Matrize (14) drapiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrschichtige Lagenaufbau (11) auf einem Formkörper ausgebildet wird, der eine Form für den auszubildenden Vorformling definiert, und dass das Drapieren ausgeführt wird, indem der mehrschichtige Lagenaufbau (11) auf den Formkörper aufgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Drapieren so vorgenommen wird, dass nach Platzieren einer Lage (21, 22, 23, 24) auf dem Formkörper oder auf einer bereits platzierten Lage (21, 22, 23, 24) die betreffende Lage (21, 22, 23, 24) drapiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinrichtungen (21b, 22b, 23b, 24b) an der Drapiervorrichtung (13), vorzugsweise an der Matrize (13) oder an einem Drapiermittel, insbesondere Stempel (15) festgelegt sind.
Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Vorformlingen im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Formteilen, insbesondere geeignet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherstehenden Ansprüche 1 bis 18, umfassend: eine Drapiervorrichtung (13), wobei die Drapiervorrichtung (13) eine Matrize (14) umfasst, in welche zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24), vorzugsweise mehrere Lagen (21, 22, 23, 24) von Fasergeweben und/oder Fasergelegen ablegbar sind; wobei die Drapiervorrichtung (13) weiterhin mehrere zur Matrize (14) verfahrbare Drapiermittel, insbesondere Stempel (15), umfasst, wobei zwischen Matrize (14) und den zur Matrize (14) verfahrbaren Drapiermitteln zumindest eine Lage (21, 22, 23, 24), bevorzugt mehrere Lagen (21, 22, 23, 24) ablegbar sind, wobei an zumindest einer Lage (21, 22, 23, 24), bevorzugt mehreren Lagen (21, 22, 23, 24), besonders bevorzugt alle Lagen (21, 22, 23, 24) eine Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) ausgebildet ist, welche an einem Umfang der betreffenden Lage (21, 22, 23, 24) derart angeordnet ist, dass die Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) seitlich über den Lagenaufbau (11) hinaus vorsteht; weiterhin zumindest eine Greifeinrichtung (21b, 22b, 23b, 24b) zum Greifen der Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) einer Lage (21, 22, 23, 24), wobei die Greifeinrichtung (21b, 22b, 23b, 24b) derart ausgebildet ist, dass während des Drapierens mittels der Greifeinrichtungen (21b, 22b, 23b, 24b) auf jede jeweilige Zugfahne (21a, 22a, 23a, 24a) eine Zugspannung angewandt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 19, weiterhin umfassend ein Vakuumgreifwerkzeug und/oder ein Spannrahmen und/oder ein Beschicktablett und/ oder ein Beschickband und/oder ein Nadelgreifer zum Platzieren der Lagen (21, 22, 23, 24) in der Drapiervorrichtung (13).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinrichtungen (21b, 22b, 23b, 24b) an der Drapiervorrichtung (13), insbesondere an der Matrize (14) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinrichtungen (21b, 22b, 23b, 24b) an den Drapiermitteln, insbesondere den Stempeln (15) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Greifeinrichtungen (21b, 22b, 23b, 24b) Klemmbacken (21c, 22c, 23c, 24c) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmbacken (21c, 22c, 23c, 24c) eine Zick-Zack-Struktur oder Nutenförmige Struktur quer zur Zugrichtung und/oder eine rutschfeste Oberfläche, insbesondere aus einem Elastomer, aufweisen.
Vorformling (5), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 18 und/oder hergestellt mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24.