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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Tapelegevorrichtung zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile mittels einer Tapelegevorrichtung, welche wenigstens umfasst:
- a) eine Zuführeinrichtung (10) für das Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape (93) an eine Ablegeeinrichtung (20);
- b) eine Ablegeeinrichtung (20) für das Ablegen von zugeführtem Tape (93); wobei nebeneinander abgelegtes Tape (93) eine Tapelage (92) einer Tapestruktur (91) definiert; und
- c) eine Steuereinrichtung (30) zur Steuerung des Erhalts eines konsolidierten Laminats (90) durch:
– eine Führungseinrichtung (40) für das Heranführen von einer bereits abgelegten Tapestruktur (91) und darauf abzulegendem Tape (93) an eine Anregungseinrichtung (50) und/oder umgekehrt;
– eine Anregungseinrichtung (50) für ein simultanes Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen (96) der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen (95) von an die Anregungseinrichtung (50) herangeführter bereits abgelegten Tapestruktur (91) und darauf abzulegendem Tape (93); und
– die Ablegeeinrichtung (20) für das Ablegen des ausschließlich oberflächlich angeregten Tape (93) auf die bereits abgelegte ausschließlich oberflächlich angeregte Tapestruktur (91) mittels der Ablegeeinrichtung (20), so dass deren Fügezonen (95) aneinandergrenzen; und
– eine Konsolidierungseinrichtung (60) für ein simultanes Zusammenbringen der ausschließlich in den Oberflächen (96) plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe der aneinandergrenzenden Fügezonen (95) von abgelegtem Tape (93) und der dieses Tape (93) tragenden bereits abgelegten Tapestruktur (91).
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Die Anwendungen für Faserverbundwerkstoffe sind über die vergangenen Jahrzehnte immer weiter gestiegen, insbesondere wenn sie als preiswerte Alternative zu den metallischen Werkstoffen gesehen werden konnten, mit den Vorteilen der Gestaltungsfreiheit und anwendungsspezifischer Formulierungsmöglichkeiten. Speziell der Werkstoff CFK (Carbon-faserverstärkter Kunststoff) hat ein extrem hohes Leichtbaupotential, wobei er sich zugleich durch seine hohe Festigkeit und sehr hohe Struktursteifigkeit auszeichnet. Letzteres ist beispielsweise im Automobilbau ein wichtiges Kriterium.
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Die heutigen Entwicklungstätigkeiten für Produktionsanlagen zur Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen reichen daher von reiner Maschinenentwicklung bis hin zu schlüsselfertigen Produktionssystemen. Erstere umfassen für gewöhnlich Preform-Herstelleinheiten, Press- und ggf. Injektionseinheiten sowie Nachbearbeitungseinheiten – letztere die entsprechende Automatisation für das Preform-Handling, die Werkzeugreinigung, die Bauteilentnahme und dergleichen mehr.
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Die automatisierbare Herstellung der Preform ist definitiv die Schlüsseltechnologie im Herstellungsprozess von endlosfaserverstärkten Faserverbundbauteilen zur Realisierung einer effizienten Großserienfertigung mit reproduzierbarer stabiler Bauteilqualität. Aber auch bei sog. Hybridbauteilen, also formgepressten Blechen, die vornehmlich mit Carbonfaser Halbzeugen verpresst werden, um kritische Belastungszonen zusätzlich zu verstärken, müssen sich alle Produktions-Einheiten anlagen- und steuerungstechnisch integrieren lassen, wenn eine hinreichende Produktivität erreicht werden soll.
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Zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Bauteilen werden heute überwiegend textile Faser-Halbzeuge wie mit einem Binder (Schmelzkleber) benetzte und/oder mit einer Matrix teilweise oder vollständig imprägnierte Faser-Garne und/oder Flächengebilde (sog. Prepregs) wie Faser-Gewebe, -Gestricke, -Gelege oder -Matten verwendet. Die Matrix von faserverstärkten Kunststoffen hat die Aufgabe, die hochbelastbaren Fasern einzubetten (Stützfunktion) und deren Zwischenraum vollständig auszufüllen (Sperrfunktion).
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An Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen können grundsätzlich Materialien aus den Gruppen der Thermoplaste oder der Duroplaste und ggf. zusätzlicher elastifizierender Komponenten, wie Elastomere, eingesetzt werden, welche sich in der Festigkeit, der maximalen Dehnung, der Einsatztemperatur, der Verarbeitungsgeschwindigkeit und der Chemikalienbeständigkeit unterscheiden. Duroplastische Formmassen lassen sich durch Temperatureinwirkung plastifizieren, sind in diesem Moment formbar und härten dann irreversibel unter Druck und Temperatur aus. Im Gegensatz zu den Thermoplasten bestehen die Elastomere und Duroplaste (auch Duromere genannt) nach der Verarbeitung, d. h. im gebrauchsfertigen Zustand, aus mehr oder weniger stark vernetzten Makromolekülen, die in der Regel weder schmelzbar noch löslich sind.
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Aus diesen Halbzeugen, die als Rollen oder Plattenware in Standardformaten zur Verfügung stehen, werden in einem Schneidprozess, Zuschnitte erzeugt, die in der Regel das umgeformte Bauteil vollflächig auskleiden. Beim Schneiden der Zuschnitte entsteht, je nach Bauteilgeometrie ein signifikanter Schneidabfall, der nicht verarbeitet werden kann und die Effizienz dieses Prozesses erheblich verschlechtert.
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Zur Verbesserung der Ressourceneffizienz können endlosfaserverstärkte Bauteile über Faser- oder auch als Tape-Legeverfahren bekannt gewordene Verfahren wesentlich verschnittärmer bzw. verschnittfrei hergestellt werden. Speziell die Verwendung von thermoplastischen Endlosfaser Tapes erweisen sich als eine sehr attraktive Prozessvariante. Hierbei stellt insbesondere das Legen der für gewöhnlich als Tape vorliegenden Faserverbundwerkstoffe zum Aufbau eines Laminats eine besondere Herausforderung dar.
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Mit einem „Tape“ ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise jegliche Art von bahnförmigem Prepregmaterial, beispielsweise zwischen 30 und 150 mm breites Prepreg-Streifenmaterial, gemeint, welches für ein Ablegen mittels einer Tapelegevorrichtung geeignet ist. Mit „Prepegmaterial“ sind vorliegend insbesondere Faser-Garne (Rovings), Faser-Gelege und/oder Faser-Gewebe gemeint, welche mit einem Binder benetzt und/oder mit einer Matrix, beispielsweise einer Duroplastmatrix oder Thermoplastmatrix, teilweise oder vollständig imprägniert, insbesondere vorimprägniert, sind.
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Bei den „Fasern“ handelt es sich insbesondere um Kohlenstofffasern, ist aber in gleicher Weise auch für Glasfasern oder andere, insbesondere künstlich hergestellte, Fasern anwendbar.
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Das Tape kann auf einem Trägermaterial angeordnet sein, insbesondere einer Trägerfolie oder einem Trägerpapier, das während des Ablegens des Tapes zum Aufbau des Laminats sich von dem Trägermaterial löst, wobei das Trägermaterial mittels einer geeigneten Einrichtung der Tapelegevorrichtung beseitigt, beispielsweise aufgewickelt, wird. Bevorzugt können jedoch auch Tapes Verwendung finden, die keine Trägermaterialien mehr benötigen.
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Zur Verarbeitung von Tapes ist bekannt, diese von einer Spule oder Rolle abzuziehen, auf Länge zu schneiden und auf einen Legetisch bzw. einer bereits drauf sich befindenden gelegten Tapestruktur abzulegen. Mit dem Ablegen eines Tapestreifens wird dieser über eine Anzahl an Ultraschall-Schweißköpfen punktweise mit der darunter liegende Tapeschicht verbunden. Der Schweißpunkt hält hierbei immer nur die Trennfuge zwischen zwei übereinander liegenden Tapelagen zusammen. Die hierdurch komplex abgelegte Fasertapestruktur ist somit nur punktförmig miteinander verbunden. Der Zusammenhalt reicht aus, um die Tapestruktur vom Tisch aufzunehmen und, beispielsweise mit Saugergreifsystemen zu transportieren. Durch den losen Zusammenhalt ist es allerdings nicht möglich, die Tapestruktur homogen, z.B. in einem Infrarot-(IR)-Heizfeld zu erwärmen und zu einem Bauteil umzuformen. Die einzelnen Tapes lösen sich hierbei und sind nicht prozesssicher umzuformen.
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Bekannter Stand der Technik bei der Verarbeitung gelegter und punktförmig fixierter Tapestrukturen ist das Konsolidieren in einer Presse. Soweit es sich bei den Tapes um eine thermoplastische Kunststoffmatrix handelt, muss hierbei die gesamte Struktur zunächst auf Schmelz- bzw. Fließtemperatur aufgeheizt und anschließend unter flächigem Pressdruck wieder abgekühlt werden. Hierzu ist der Energieaufwand sehr hoch und macht dadurch das gesamte Verfahren unwirtschaftlich. Ferner kann es durch das vollständige Aufschmelzen der gesamten Struktur zu unerwünschten Fließvorgängen kommen, bei denen Material in der Pressebene nach außen gedrückt wird. Dies führt dann zu gravierenden Verschiebungen der Faserorientierung, die zu geringerer Bauteilfestigkeit führt.
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Zur Verarbeitung von Tape bzw. Durchführung eines Tape-Legeverfahrens werden daher heutzutage vielfach auch automatische Vorrichtungen eingesetzt, welche in der Lage sind, Tape strukturiert abzulegen. Bekannt sind insbesondere sog. Tapelegevorrichtungen, unter welchen vorliegend beispielsweise auch eine sog. Fibre-Placement-Vorrichtung zu verstehen ist.
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Während automatisierter Ablegeprozesse wird abzulegendes Tape mittels eines Legekopfes, je nach Typ der eingesetzten Tapelegevorrichtung beispielsweise über einen Gleitschuh oder eine Andruckrolle, auf eine bereits abgelegte Tapestruktur mit vergleichsweise geringem, lediglich lokalem und sehr kurzzeitigem Druck gepresst, so dass das abzulegende Tape sukzessive, also lediglich schrittweise bzw. aufeinander folgend, mit der bereits abgelegten Tapestruktur geringfügig verklebt bzw. verschweißt wird. Hierfür ist jedoch eine geeignete Klebrigkeit bzw. Schweißbarkeit der Binderund/oder Matrixsysteme in dem abzulegenden Tape beziehungsweise der bereits abgelegten Tapestruktur erforderlich.
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Bei der Verarbeitung von Tapes mit duromerem Binder- und/oder Matrix-System kann die Klebrigkeit durch moderates Erwärmen erhöht werden. So ist beispielsweise bekannt geworden, einen warmen Luftstrom an dem abzulegenden Tape vorbeizuführen, welcher eine Erwärmung des abzulegenden Tapes durch thermische Konvektion bewirkt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die vorstehend beschriebene Erwärmung mittels eines warmen Luftstroms nur geringe Wärmeübertragungseigenschaften besitzt und zu geringen Aufheizgeschwindigkeiten des abzulegenden Tapes führt, so dass sich daher nicht gewünschte Ablegegeschwindigkeiten erzielen lassen. Zudem ist zum oberflächennahen Aufschmelzen von Tapes mit thermoplastischem Binder- und/oder Matrix-System die Verwendung von Heißluft nicht geeignet.
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Diese Technik wurde beispielsweise in der
WO 2009/130087 A1 weiterentwickelt, um damit bevorzugt auch thermoplastische Tapes ablegen zu können. Hierbei ist am Legekopf eine Anregungseinrichtung angebracht, die sich des Ultraschalls, der Induktion und/oder des Infrarots bedient, und welche ein abzulegendes Tape fliegend im Abzug, z.B. von einer Spule oder Rolle, kurz vor dem Ablegezeitpunkt lokal über seine Dicke hinweg erwärmt und das lokal über seine Dicke hinweg erwärmte Tape anschließend über eine flexible Legerolle auf die bereits abgelegte Tapestruktur fliegend aufpresst und so sukzessive miteinander verbunden.
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Auch dieser Legeprozess ist allerdings ebenfalls aufgrund seiner lediglich lokal begrenzt wirkenden Ausgestaltung in seiner Legegeschwindigkeit begrenzt und daher insbesondere für eine serientaugliche großflächige Anwendung nicht geeignet.
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Zudem kann es bei der Konsolidierung großflächiger Anwendungen aufgrund von prozessbedingt über seine Dicke hinweg erwärmten Tapes zu unerwünschten Fließvorgängen und Faserverschiebungen sowohl im abzulegenden Tape als auch in der obersten Tapelage oder einer bereits abgelegten Tapestruktur kommen. Dies führt zu Eigenspannungen in der gesamten Tapestruktur, die zu Bauteilverzug und einer deutlichen Verschlechterung der physikalischen Bauteileigenschaften führen kann.
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Schließlich sei auf die
EP 1 315 613 B1 hingewiesen, welche ein Verfahren und Ausrüstung zur Herstellung fortschrittlicher Kompositstrukturen offenbart, umfassend die Schritte:
- – Auftragen und Verbinden einer ersten Gruppe von Fasern mit einem Fließband in einem ersten Winkel, wobei ein Matrixmaterial mit der ersten Gruppe von Fasern verbunden ist;
- – Auftragen und Verbinden einer zweiten Gruppe von Fasern mit einem Fließband in einem zweiten Winkel, wobei ein Matrixmaterial mit der zweiten Gruppe von Fasern verbunden ist;
- – wobei der erste Winkel ungleich dem zweiten Winkel ist, und
- – wobei die erste Gruppe der Fasern intermittierend aufgetragen wird, und
- – wobei auch die zweite Gruppe der Fasern intermittierend aufgetragen wird, um Ausschnitte im Verbundwerkstoff-Teil vorsehen zu können.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Tapelegevorrichtung zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile mittels einer Tapelegevorrichtung bereitzustellen, welche beziehungsweise welches die vorstehend beschriebenen Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Tapelegevorrichtung zum Aufbau eines Laminats mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das hiermit mögliche Verfahren zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile mittels einer Tapelegevorrichtung ist gekennzeichnet durch:
- a) ein Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape an eine Ablegeeinrichtung;
- b) ein Ablegen von zugeführtem Tape mittels der Ablegeeinrichtung; wobei nebeneinander abgelegtes Tape eine Tapelage einer Tapestruktur definiert; und
- c) ein Steuern des Erhalts eines konsolidierten Laminats durch:
– ein Heranführen von einer bereits abgelegten Tapestruktur und darauf abzulegendem Tape an eine Anregungseinrichtung und/oder umgekehrt;
– ein simultanes Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen von an die Anregungseinrichtung herangeführter bereits abgelegten Tapestruktur und darauf abzulegendem Tape;
– ein Ablegen des ausschließlich oberflächlich angeregten Tape auf die bereits abgelegte ausschließlich oberflächlich angeregte Tapestruktur mittels der Ablegeeinrichtung, so dass deren Fügezonen aneinandergrenzen; und
– ein simultanes Zusammenbringen der ausschließlich in den Oberflächen plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe der aneinandergrenzenden Fügezonen von abgelegtem Tape und der dieses Tape tragenden bereits abgelegten Tapestruktur.
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Indem die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen von an die Anregungseinrichtung herangeführter bereits abgelegten Tapestruktur und darauf abzulegendem Tape simultan plastifiziert und konsolidiert werden, kann das Plastifizieren von Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen in besagten Oberflächen der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen gleichzeitig vorteilhaft ganz- bzw. vollflächig erfolgen, ohne dass es weder zu einem vollständigen Aufschmelzen der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in der an die Anregungseinrichtung herangeführten bereits abgelegten Tapestruktur noch zu einem vollständigen Aufschmelzen in dem darauf abzulegenden Tape kommt.
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Indem die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in der jeweils der Anregungseinrichtung abgewandten Seite bzw. Oberfläche der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen von an die Anregungseinrichtung herangeführter bereits abgelegten Tapestruktur und darauf abzulegendem Tape nicht über Schmelz- bzw. Fließtemperatur der eingesetzten Kunststoffmatrix gebracht werden, können auch großflächige Tapestrukturen beziehungsweise Laminate aus, z.B. 30 bis 150 mm breiten, Tapes vorteilhaft ohne unerwünschte Fließvorgänge und Faserverschiebungen aufgebaut und konsolidiert werden.
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Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Begrenzung unerwünschter Fließvorgänge und/oder Faserverschiebungen kann erhöht werden, wenn bevorzugt das simultane Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe nicht nur ausschließlich in der Oberfläche der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezone von an die Anregungseinrichtung herangeführten abzulegenden Tape sondern auch ausschließlich in der Oberfläche der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezone der obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur erfolgt.
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Alternativ oder kumulativ dazu kann je nach Grad erwünschter, nämlich im Rahmen der Konsolidierung einzelner Tapes und/oder Tapelagen, oder unerwünschter Fließvorgänge und/oder Faserverschiebungen einzelner Tapes und/oder Tapelagen innerhalb der Tapestruktur bevorzugt das simultane Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe zumindest in der das abzulegende Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur über dessen Dicke hinweg erfolgen.
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In Weiterbildung dessen kann das simultane Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe auch in Tapelagen unterhalb der das Tape tragenden obersten Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur ausschließlich in den Oberflächen der aneinandergrenzenden Fügezonen und/oder über deren Dicke hinweg erfolgen. In allen Fällen sollte jedoch die unterste Tapelage einer bereits abgelegten Tapestruktur niemals über deren Dicke hinweg plastifiziert werden, um die Formtreue des Laminats nicht zu gefährden.
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Bevorzugt kann das simultane Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen von an die Anregungseinrichtung herangeführtem abzulegendem Tape, obersten Tapelage oder einer bereits abgelegten Tapestruktur
- – in einer minimalen Tiefe von jeweils nur zu 10 %, insbesondere jeweils nur zu 20 %, vorzugsweise von nur 30 %
- – bis zu einer maximalen Tiefe von 60 %, insbesondere von 75 %, vorzugsweise von maximal 90 %
des jeweiligen Querschnitts Q von abzulegendem Tape, der jeweiligen obersten Tapelage oder der bereits abgelegten Tapestruktur erfolgen.
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Alternativ oder kumulativ ist bevorzugt, wenn das simultane Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen von an die Anregungseinrichtung herangeführtem abzulegendem Tape, obersten Tapelage oder einer bereits abgelegten Tapestruktur in definierten Flächenabschnitten der Oberflächen der Fügezonen in unterschiedlichen Tiefen erfolgt.
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Eine erfindungsgemäße Tapelegevorrichtung zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile ist gekennzeichnet durch:
- a) eine Zuführeinrichtung für das Zuführen von mit Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen versehenem abzulegenden Tape an eine Ablegeeinrichtung;
- b) eine Ablegeeinrichtung für das Ablegen von zugeführtem Tape; wobei nebeneinander abgelegtes Tape eine Tapelage einer Tapestruktur definiert; und
- c) eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Erhalts eines konsolidierten Laminats:
– eine Führungseinrichtung für das Heranführen von einer bereits abgelegten Tapestruktur und darauf abzulegendem Tape an eine Anregungseinrichtung und/oder umgekehrt;
– eine Anregungseinrichtung für ein simultanes Plastifizieren der Binderund/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen von an die Anregungseinrichtung herangeführter bereits abgelegten Tapestruktur und darauf abzulegendem Tape; und
– die Ablegeeinrichtung für das Ablegen des ausschließlich oberflächlich angeregten Tape auf die bereits abgelegte ausschließlich oberflächlich angeregte Tapestruktur mittels der Ablegeeinrichtung, so dass deren Fügezonen aneinandergrenzen; und
– eine Konsolidierungseinrichtung für ein simultanes Zusammenbringen der ausschließlich in den Oberflächen plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe der aneinandergrenzenden Fügezonen von abgelegtem Tape und der dieses Tape tragenden bereits abgelegten Tapestruktur.
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In einer Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist vorgesehen, dass mittels der Steuereinrichtung die Anregungseinrichtung variabel hinsichtlich Heizflächen und/oder Heiztiefen ansteuerbar ist. Die Steuereinrichtung kann dazu beispielsweise einen pyrometrischer Sensor umfassen, mit dem im Heizprozess die Oberflächentemperatur Oberfläche der zugeordneten Tapes gemessen wird. Idealerweise kann mit dem Sensor die Oberflächentemperatur des abzulegenden Tapes an der zur Fügezone abgewandten Seite gemessen werden. Damit lässt sich die Heizleistung bzw. die Heizdauer am besten steuern. Die Heizleistung bzw. Heizdauer wird in jedem Fall derart gesteuert, dass die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in der zur Anregungseinrichtung jeweils abgewandten Oberfläche nicht ganz die Schmelz- bzw. Fließtemperatur erreicht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist eine Anregungseinrichtung bevorzugt, welche eine Heizvorrichtung umfasst, die zur Verarbeitung von abzulegender Tapes variabler Breite und Länge mit zu- und abschaltbaren Zonen ausgeführt ist. Damit lassen sich vorteilhaft nicht belegte Heizzonen abschalten.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist eine Anregungseinrichtung bevorzugt, welche eine Heizvorrichtung umfasst und bevorzugt derart ausgebildet ist, dass der Abstand der Heizeinrichtung und dem zu legenden Tape und auch zu der bereits gelegten Tapestruktur annähernd gleich ist oder die Heizleistung der Heizeinrichtung zum Ausgleich etwaiger Distanzunterschiede und/oder Heiztiefen angepasst werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung umfasst die Anregungseinrichtung eine Abdeckmaske, mit welcher eine Feinjustage der Abstrahlfläche, passend zur Fläche und Position des Tapes und zugeordneten Fläche der darunterliegenden Tapestruktur, vorgenommen werden kann. Eine solche, vorzugsweise variable einstellbare, Abdeckmaske schirmt vorteilhaft überstehende Heizflächenbereiche so ab, dass eine Überhitzung der Ränder und auch eine unerwünschte Erwärmung der Vorrichtung vermieden werden kann. Wenn Abdeckmasken an allen vier Rändern eines Legebereiches angeordnet werden, kann damit sowohl die Breite als auch die Länge und Legeposition angepasst werden. Dies gestattet vorteilhaft die Steuereinrichtung, welche die Heizflächen und/oder Heiztiefen der Anregungseinrichtung variable ansteuert.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist vorgesehen, dass die Konsolidierungseinrichtung wenigstens einen Legetisch und/oder Stempel umfasst, welcher vakuumierbar ausgebildet ist. Dies gestattet vorteilhaft eine Fixierung erster abgelegter Tapes am Tisch bzw. Stempel auch ohne Verbund mit anderen Tapes.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist vorgesehen, dass die Konsolidierungseinrichtung wenigstens einen Legetisch und/oder Stempel umfasst, welcher mit einer Kühlung versehen sind. Dies verhindert vorteilhaft ein Aufschmelzen oder gar Plastifizieren der untersten und obersten Tapelage einer Tapestruktur über deren Dicke hinweg, womit der angestrebte Erhalt eines formtreuen Laminats unterstützt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist vorgesehen, dass die Ablegeeinrichtung einen einzeln oder wechselweise arbeitenden Legebalken umfasst, wobei wechselseitig arbeitende Legebalken vorteilhaft die Prozessgeschwindigkeit erhöhen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Tapelegevorrichtung ist vorgesehen, dass der/die Legebalken und/oder Stempel und/oder Legetische mehr-gliedrig ausgebildet sind, so dass vorteilhaft die einzelnen Glieder mittels der Steuerungseinrichtung auf zu einer dreidimensionalen Tapestruktur korrespondierende Raumpunkte hin ansteuerbar sind.
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Die vorliegende Erfindung gestattet vorteilhaft den Aufbau und das Konsolidieren eines Laminats ohne unerwünschte Fließvorgänge und Faserverschiebungen.
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Indem sie vorteilhaft den Aufbau wie auch das simultane Konsolidieren gelegter Tapestrukturen auf ein und demselben Legetisch belässt, ist ein Lösen einzelner Tapes oder Tapelagen in Folge von im Stand der Technik anzutreffender Trennung von Aufbau einerseits und Konsolidieren gelegter Tapestrukturen andererseits prozesssicher vermieden.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum industriellen Aufbau und Konsolidieren eines Laminats für beispielsweise Automobilbauteile, die über einen Thermoformprozess oder in Verbindung mit einem fließfähigen Faserverbundmaterials im Fließpress- oder Spritzgussprozess zum Endbauteil umgeformt werden.
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Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele von Aufbau und Konsolidierung eines Laminats – auf welche die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist – näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1 ein erstes, insbesondere hinsichtlich des apparativen Aufbaus einfach gehaltenes, Ausführungsbeispiel einer Tapelegevorrichtung zum Aufbau und Konsolidieren eines Laminats;
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2 ein zweites, insbesondere hinsichtlich der Heizfläche und/oder Heiztiefe ansteuerbar gehaltenes, Ausführungsbeispiel einer Tapelegevorrichtung und
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3 ein drittes, insbesondere hinsichtlich der Legegeschwindigkeit weiter gesteigertes, Ausführungsbeispiel einer Tapelegevorrichtung.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
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1 zeigt ein erstes, insbesondere hinsichtlich des apparativen Aufbaus einfach gehaltenes, Ausführungsbeispiel einer Tapelegevorrichtung 1 zum Aufbau eines Laminats 90.
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Die dargestellte Tapelegevorrichtung 1 umfasst eine Zuführeinrichtung 10 für das Zuführen von abzulegendem Tape 93 an eine, beispielsweise wenigstens einen Legebalken 21 umfassende, Ablegeeinrichtung 20 für den Aufbau des Laminats 90 durch strukturiertes Ablegen von Tapes 93 und deren, vorzugsweise vollständigen, Konsolidierung, also der möglichst vollflächigen Verklebung bzw. Verschweißung der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in zumindest allen Fügezonen 95 von abzulegendem Tape 93 mit den Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen in der Fügezonen 95 der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91, derart, dass die oberflächennahen Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe im plastifizierten Aggregatszustand sich vollständig verbinden und idealerweise Polymerketten sich teilweise verschlaufen und/oder kovalente Bindungen bilden.
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Dabei wird in der Zuführeinrichtung 10 zunächst abzulegendes Tape 93 beispielsweise von einer Spule oder Rolle 11 abgezogen, auf die erforderliche Länge abgeschnitten (nicht dargestellt) und nach Zuführung an die Ablegeeinrichtung 20 mittels dieser über den Legetisch 61 einer Konsolidierungseinrichtung 60 positioniert.
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Eine Anregungseinrichtung 50 für das Erwärmen des abzulegenden Tapes 93 und einer etwaig bereits abgelegten Tapestruktur 91, kann in dieser apparativ schlicht gehaltenen und damit preiswerten Ausgestaltung beispielsweise eine beidseitig der Ablegeeinrichtung 20 für abzulegendes Tapes 93 starr angeordnete Heizvorrichtung 51 sein, welche bevorzugt aus Strahlern, idealerweise Infrarot-(IR)-Strahlern, gebildet sein kann. Solche Infrarot-(IR)-Strahler besitzen vorteilhaft sehr kurze Einschaltzeiten bzw. schnelles Ansprechverhalten.
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Die Leistung der Anregungseinrichtung 50 ist in jedem Fall so eingestellt, dass die dazu abgewandten Seiten von abzulegendem Tape 93 und bereits abgelegter Tapestruktur 91 nicht über Schmelz- bzw. Fließtemperatur der eingesetzten Kunststoffmatrix gebracht werden.
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Aufgrund ihrer beidseitig der Ablegeeinrichtung 20 starren Anordnung eignet sich das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel insbesondere für ein simultanes, also zeitgleiches und ggf. vollflächiges und ausschließlich oberflächliches Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe der Oberflächen 96 der Fügezonen 95 von abzulegendem Tape 93 und der obersten Tapelage 92 oder einer bereits abgelegten Tapestruktur 91.
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Nach hinreichendem Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe wird vorzugsweise mit Stempeln 62 der Konsolidierungseinrichtung 60 das oberflächlich plastifizierte Tape 93 auf die plastifizierte Oberfläche 96 der Fügezone 95 der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 nach unten geführt und so weit als möglich vollflächig aufgedrückt.
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Um dabei bereits abgelegte Tapestrukturen 91 zu fixieren, kann der Legetisch 61 und/oder der Stempel 62 der Konsolidierungseinrichtung 60 vakuumierbar ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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Stempel 62 und/oder Legetisch 61 der Konsolidierungseinrichtung 60 können zudem mit einer Kühlung versehen sein (ebenfalls nicht dargestellt), um die mittels der Anregungseinrichtung 50 eingebrachte Wärme abzuführen und/oder ein schnelleres erstarren der Kunststoffmatrix in der soeben sich konsolidierten Tapestruktur 91 zu erzielen.
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Zur Realisierung auch dreidimensionaler Tapestrukturen 91 sind aus Gliedern gebildete Legebalken 21 und/oder Stempel 62 und/oder Legetische 61 bevorzugt, welche auf unterschiedliche Raumpunkte ansteuerbar sind. Die mehr-gliedrige Ausbildung von Legebalken 21 und/oder Stempel 62 und/oder Legetische 61 hat zum Vorteil, dass die einzelnen Glieder auf zu einer dreidimensionalen Tapestruktur 91 korrespondierende Raumpunkte hin ansteuerbar ausbildbar sind.
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Für das Tapelegen von dreidimensionalen Laminaten 90 ist schließlich eine Anregungseinrichtung 50 mit einer Heizeinrichtung bevorzugt, welche derart an die 3D Kontur des aufzubauenden Bauteils angepasst werden kann, dass der Abstand der Heizeinrichtung 52 und dem zu legenden Tape 93 und auch zu der bereits gelegten Tapestruktur 91 annähernd gleich ist oder alternativ die Heizleistung der Heizeinrichtung 52 zum Ausgleich etwaiger Distanzunterschiede angepasst werden kann.
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Die bevorzugte Steuerungseinrichtung 30 ist zeichnerisch der Konsolidierungseinrichtung 60 zugeordnet, kann aber natürlich entsprechend den Erfodernissen beliebig in der Tapelegevorrichtung 1 angeordnet sein.
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2 zeigt ein zweites, insbesondere hinsichtlich der Heizfläche und/oder Heiztiefe ansteuerbar gehaltenes, Ausführungsbeispiel einer Tapelegevorrichtung 1 zum Aufbau eines Laminats 90. Die im Übrigen zum Ausführungsbeispiel nach 1 baugleich gehaltene Tapelegevorrichtung 1 unterscheidet sich vornehmlich in der Ausgestaltung der Anregungseinheit 50 für ein Erwärmen der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe im abzulegenden Tape 93 und einer etwaig bereits abgelegten Tapestruktur 91.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Tapelegevorrichtung 1 ist die Anregungseinheit 50 vorzugsweise eine bewegbare Heizvorrichtung 52 z.B. in Form eines, bevorzugt möglichst schmalen, Infrarot-(IR)-Heizfeldes, welches zwischen dem, z.B. mittels wenigstens eines Legebalkens 21 der Ablegeeinrichtung 20, positionierten Tape 93 und einer darunter auf einem Legetisch 61 bereits gelegten Tapestruktur 91 eingefahren werden kann. Nach dem Einfahren kann das Infrarot-(IR)-Heizfeld beidseitig in Richtung der Tapes 93 und der oberen Tapelage 92, in der Darstellung von 2 also nach oben und unten, so strahlen, dass die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe der gesamten Oberfläche 96, bevorzugt aber zumindest der Fügezone 95 von abzulegendem Tape 93 und der obersten Tapelage 92 oder der bereits abgelegten Tapestruktur 91 zeitgleich und vollflächig und vorzugsweise ausschließlich oberflächlich plastifiziert werden.
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Alternativ oder kumulativ dazu kann je nach Grad erwünschter, nämlich im Rahmen der Konsolidierung einzelner Tapes 93 und/oder Tapelagen 92, oder unerwünschter Fließvorgänge und/oder Faserverschiebungen einzelner Tapes 93 und/oder Tapelagen 92 innerhalb der Tapestruktur 91 bevorzugt das simultane Plastifizieren der Binderund/oder Matrix-Werkstoffe zumindest in der das abzulegende Tape 93 tragenden obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 über dessen Dicke hinweg erfolgen.
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In Weiterbildung dessen kann das simultane Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe auch in Tapelagen 92 unterhalb der das Tape 93 tragenden obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 ausschließlich in den Oberflächen 96 der aneinandergrenzenden Fügezonen 95 und/oder über deren Dicke hinweg erfolgen. In allen Fällen sollte jedoch die unterste Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 niemals über deren Dicke hinweg plastifiziert werden, um die Formtreue des Laminats 90 nicht zu gefährden.
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Gegenüber dem Plastifizieren der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe der gesamten Oberfläche 96 vermeidet ein zeitgleiches und vollflächiges und ausschließlich oberflächliches Plastifizieren lediglich der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in allen Fügezonen 95 von abzulegendem Tape 93 und der obersten Tapelage 92 oder einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 neben einem höheren Energieverbrauch insbesondere unerwünschte Fließvorgänge und Faserverschiebungen in nicht in Kontakt zu einer Fügezone 95 liegenden Oberflächen 96 der Tapes 93 und/oder Tapelagen 92, wie diese Oberflächen 96 insbesondere bei komplexen Tapestrukturen 91 regelmäßig anzutreffen sind.
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Das Heizen mittels z.B. eines Infrarot-(IR)-Heizfeldes kann vorteilhaft mit hoher Leistung und in einer sehr kurzen Zeit von beispielweise 1s erfolgen. Es ist bevorzugt dergestalt ansteuerbar, dass von abzulegendem Tape 93 und der obersten Tapelage 92 oder einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 in einer minimalen Tiefe von jeweils nur zu 10 %, insbesondere jeweils nur zu 20 %, vorzugsweise von nur 30 % bis zu einer maximalen Tiefe von 60 %, insbesondere von 75 %, vorzugsweise von maximal 90 % der Dicke des Tapes 93 bzw. der jeweiligen Tapelage 92 plastifiziert werden. Alternativ oder kumulativ hierzu kann eine Ansteuerung des Heizfeldes vorgesehen sein, mit welchem die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe im abzulegenden Tape 93 und die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in der obersten Tapelage 92 einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 in definierten Fügezonen 95 der gesamt Oberfläche 96 und/oder zumindest der Fügezone 95 in unterschiedlicher Tiefe plastifiziert werden. Damit können ebenfalls insbesondere bei komplexen Tapestrukturen 91 der Energieeintrag und/oder unerwünschte Fließvorgänge minimiert werden.
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Anschließend wird die Anregungseinrichtung 50 mit ihrer Heizvorrichtung 52 aus dem Ablegebereich der Ablegeeinrichtung 20 seitlich weggefahren oder ausgeschwenkt und mit einem oder mehreren Stempeln 62 einer Konsolidierungseinrichtung 60 die zumindest an allen Fügezonen 95 plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe im Tape 93 auf die korrespondierend plastifizierten Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in der Kontaktoberflächen 95 der obersten Tapelage 92 oder einer bereits abgelegten Tapestruktur 91 nach unten geführt und so weit als möglich vollflächig aufgedrückt. 3 zeigt ein drittes, hinsichtlich der Legegeschwindigkeit weiter gesteigertes, Ausführungsbeispiel einer Tapelegevorrichtung 1 zum Aufbau eines Laminats 90. Die im Übrigen zum Ausführungsbeispiel nach 2 baugleich gehaltene Tapelegevorrichtung 1 unterscheidet sich vornehmlich in einer weiteren Ausgestaltung einer Anregungseinheit 50 für ein Erwärmen des abzulegenden Tapes 93 und einer etwaig bereits abgelegten Tapestruktur 91.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Tapelegevorrichtung 1 umfasst die Ablegeeinrichtung 20 zwei oder mehrere, beispielsweise wechselseitig arbeitende, Legebalken 21a, 21b, ... Eine zwischen der Ablegeeinrichtung 20 und der Konsolidierungseinrichtung 60 positionierbare Anregungseinrichtung 50 ist nun bevorzugt alternierend zwischen den einzelnen Legebalken 21a und 21b hin und her bewegbar ausgestaltet, so dass während der Heizzeit im Bereich des einen Legebalkens 21b das zuvor aufgeheizte Tape 93 im anderen Legebalken 21a abgelegt und ein neues Tape 93 in diesen Balken 21a eingezogen werden kann.
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Indem erfindungsgemäß die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe ausschließlich in den Oberflächen 96 der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen 95 von an die Anregungseinrichtung 50 herangeführter bereits abgelegten Tapestruktur 91 und darauf abzulegendem Tape 93 simultan plastifiziert und konsolidiert werden, kann das Plastifizieren von Binder- und/oder Matrix-Werkstoffen in besagten Oberflächen 96 der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen 95 gleichzeitig vorteilhaft ganzbzw. vollflächig erfolgen, ohne dass es weder zu einem vollständigen Aufschmelzen der Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in der an die Anregungseinrichtung 50 herangeführten bereits abgelegten Tapestruktur 91 noch zu einem vollständigen Aufschmelzen in dem darauf abzulegenden Tape 93 kommt.
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Indem die Binder- und/oder Matrix-Werkstoffe in der jeweils der Anregungseinrichtung 50 abgewandten Seite bzw. Oberfläche der zur Aneinandergrenzung vorgesehenen Fügezonen 95 von an die Anregungseinrichtung 50 herangeführter bereits abgelegten Tapestruktur 91 und darauf abzulegendem Tape 93 nicht über Schmelz- bzw. Fließtemperatur der eingesetzten Kunststoffmatrix gebracht werden, können auch großflächige Tapestrukturen 91 beziehungsweise Laminate 90 aus, z.B. 30 bis 150 mm breiten, Tapes 93 vorteilhaft ohne unerwünschte Fließvorgänge und Faserverschiebungen aufgebaut und konsolidiert werden.
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Die vorliegende Erfindung gestattet vorteilhaft den Aufbau und das Konsolidieren eines Laminats 90 ohne unerwünschte Fließvorgänge und Faserverschiebungen.
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Indem sie vorteilhaft den Aufbau wie auch das simultane Konsolidieren gelegter Tapestrukturen 91 auf ein und demselben Legetisch 61 belässt, ist ein Lösen einzelner Tapes 93 oder Tapelagen 92 in Folge von im Stand der Technik anzutreffender
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Trennung von Aufbau einerseits und Konsolidieren gelegter Tapestrukturen 91 andererseits prozesssicher vermieden.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zum industriellen Aufbau und Konsolidieren eines Laminats 90 für beispielsweise Automobilbauteile, die über einen Thermoformprozess oder in Verbindung mit einem fließfähigen Faserverbundmaterials im Fließpress- oder Spritzgussprozess zum Endbauteil umgeformt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tapelegevorrichtung
- 10
- Zuführeinrichtung
- 11
- Rolle
- 20
- Ablegeeinrichtung
- 21
- Legebalken
- 21a, 21b
- Legebalken
- 30
- Steuereinrichtung
- 50
- Anregungseinrichtung
- 51
- Heizeinrichtung
- 52
- Heizeinrichtung
- 60
- Konsolidierungseinrichtung
- 61
- Legetisch
- 62
- Stempel
- 90
- Laminat
- 91
- Tapestruktur
- 92
- Tapelage
- 93
- Tape
- 95
- Fügezonen
- 96
- Oberfläche
- Q
- Querschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/130087 A1 [0017]
- EP 1315613 B1 [0020]