WO1989010253A1

WO1989010253A1 - Procede et installation de traitement en grande serie de materiaux composites renforces par des fibres de haute performance

Info

Publication number: WO1989010253A1
Application number: PCT/EP1989/000428
Authority: WO
Inventors: Jürgen KÖSTER; Manfred Geiger; Gerhard Von Der Heyd
Original assignee: MOBIK GmbH
Current assignee: MOBIK GmbH
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 1989-11-02
Anticipated expiration: 1990-10-22
Also published as: AU3449089A; EP0413714A1; AU636566B2; DE3813694A1; BR8907388A; JPH03504700A; KR900700272A

Description

Verfahren und Anlage zur großseriellen Verarbeitung von Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum großseriellen takt¬ weisen Formen von konsolidierten Hochleistungs-Faserverbund- werkstoffen (HFVW) auf Thermoplastbasis (im folgenden auch Vormaterial) zu -dreidimensionalen Formteilen mittels eines ge¬ schlossenen Fertigungssystems, wobei das für bestimmte ther¬ moplastische Werkstoffe typische unstetige Verhalten des Werk¬ stoffes in Abhängigkeit von der Temperatur zur Steuerung des Prozesses ausgenutzt werden soll. Das Vormaterial wird dabei vorzugsweise mittels einer Förderanlage durch eine tunnel¬ artige Einrichtung von einer Aufnahmestation zu einer Ent¬ nahmestation bewegt.

Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannt sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Form¬ teilen aus Faserverbundwerkstoffen. Die überwiegende Zahl die¬ ser Verfahren dient der Herstellung und Verarbeitung isotroper Faserverbundwerkstoffe, bei denen die Verstärkungsfasern (kurz oder endlos) ungerichtet in eine Matrix eingebettet sind so, daß eine Längsdehnung der Fasern die Formgebung nicht beein¬ flußt; der Faseranteil liegt (teils deutlich) unter 50 Volu- men-%.

Die davon für Großserien geeigneten Verfahren arbeiten mit Taktzeiten möglichst im Bereich von 1 Minute für Stückzahlen von oft über 1000 Stück/Tag. Werkstoff und Werkstück entstehen dabei zu gleicher Zeit (Simultanverfahren) und in einem ent¬ sprechend ausgelegten Werkzeug ('in situ-Verfahren ' ) . Die Fer- tigungsprozesse sind entsprechend komplexer Natur mit zahlrei¬ chen, teils sogar werkstückabhängigen, jedenfalls sowohl che¬ mischen wie physikalischen Parametern. Die Parameter Druck und Temperatur sind bei diesen Prozessen außerdem vorwiegend gleichgerichtet und durch die chemischen Prozesse sowie die Viskosität und Schrumpfung bestimmt: höhere Temperaturen sind nahezu stets auch von höheren Drücken begleitet. Typischerwei¬ se lassen sich kurze Zykluszeiten nur mit niedrigviskosen Grundstoffen (Komponenten) erreichen und mit hohen Werkzeug¬ fülldrücken, die ihrerseits entsprechende Schließdrücke (zur Abdichtung) voraussetzen. Die Vermeidung von Graten und Angüs¬ sen sind typische Fertigungsprobleme dieser Prozesse. Die auf¬ zubringenden Kräfte bestimmen die Auslegung der Anlage; sie erreichen häufig 300 bar (RRIM 70 bar) bzw. 50 Meganewton bei mittleren bis größeren Formteilen.

Anlägen und Werkzeuge werden dadurch schwer und teuer und zu¬ sammen mit ihnen das Handling. Das mindert die Flexibilität und steigert die Verarbeitungskosten, wobei sich die hohen Werkzeugkosten als besonders hinderlich erweisen. Solche Kunststoffwerkzeuge erreichen den Wert von Stahlverarbeitungs¬ werkzeugen, was die Wettbewerbsfähigkeit dieser Verfahren bei Großserien (z. B. im PKW-Bau) erheblich beeinträchtigt.

Die Zykluszeiten für das fertige Formteil liegen im Bereich von 5 Minuten, gelegentlich darunter (geringe Ansprüche an Oberfläche) . Eine Verkürzung der Zykluszeiten führt wegen der Prozeßkomplexität zu höheren Quoten an Ausschuß und Nacharbeit (Prozeßrisiko). Beispielhafte Verfahren sind SMC, GMT, RTM, XMC, BMC, RRIM, MMC. Es besteht keine Halbzeugphase, etwa der bei Metallen üblichen vergleichbar, die mit der Herstellung des Werkstoffs in entgültiger Qualität und mit gewünschter Oberfläche endet. Die Lage der Verstärkungsfasern und deren Schonung ist von nachgeordneter Bedeutung bei der Prozeßführung (Isotropie-Merkmal) .

Bekannt sind auch Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung anisotroper Faserverbundwerkstoffe ( 'Hochleistungs-FVW' ) , bei denen die Verstärkungsfasern (kurz oder endlos) gerichtet in einer Matrix eingebettet sind; der Faεeranteil liegt dann stets (und teils deutlich) über 50 Volumen-%, die Fasern kön¬ nen in 1, 2 oder gar 3, eventuell 4 Richtungen in einer oder zwei Ebenen (x, y, z-Achse) liegen, je nach Kraftstärke und -richtung. Schließlich können verschiedene Fasertypen in einem Werkstoff verarbeitet sein.

Die bekannten Verfahren sind jedoch nur für Kleinserien, oder gar Einzelfertigung geeignet. Sie arbeiten mit Zykluszeiten von mehreren Minuten bis mehreren Tagen. Werkstück und Werk¬ stoff entstehen auch bei diesen Verfahren simultan und in situ durch sowohl chemische wie physikalische Prozesse; imprägnier¬ te Gewebe oder Fasergelege werden von Hand oder mit Robotern in einem Formwerkzeug in eine Matrix gebettet und anschließend in einer Anlage ausgehärtet ('Autoklav-Technik'). Die langen Taktzeiten gehen hierbei einher mit einem geringen Prozeßrisi¬ ko, d. h. mit hoher Werkstoffqualität und Maßhaltigkeit. Druck und Temperatur verlaufen im wesentlichen gleichgerichtet. Die Anlagen bleiben teuer, was bei den langen Zyklen zu ent¬ sprechenden Verarbeitungskosten führt. Die Werkzeugkosten allerdings sind niedrig und mit ihnen die Sortenwechselkosten. Es gibt keine Halbzeugphase und kaum standardisierte Werkstoffe. Jedes Werkstück führt zu einem besonderen Werkstoff. Die Verfahren sind durch die Ausrichtung der Fasern in ihrer Geschwindigkeit beschränkt; gleiches gilt für die Verformung, die auf eine Ausrichtung der Fasern in der Richtung des Kraftflusses zielt bei höchstmöglicher Schonung der einzelnen Fasern, zwei wichtigen Aspekten dieser 'anisotropen' Verfahren (vgl. Fig. 1)).

Bekannt sind auch Anlagen, in denen sowohl Druck als auch Tem- peratur erzeugt werden, vornehmlich sogenannte Heißpressen. Sie dienen der Beherrschung zeitgleich ablaufender chemischer wie physikalischer Prozesse und dienen überwiegend der Her¬ stellung von (ungeformtem) Halbzeug, etwa der Beschichtung von (Holz-)Spanplatten. Auch Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe werden mittels solcher Anlagen konsolidiert (des hier genann¬ ten Vormaterials). Üblicherweise verwendet man dazu Pressen mit beheizbaren Werkzeugen oder Walzstraßen mit beheizbaren Walzen. Zweck solcher Anlagen ist die Herstellung des Werkstoffs unabhängig vom Werkstück mit garantierbaren physikalisch technischen Eigenschaften und Oberflächen. Es kommt ansonsten bei diesen Anlagen nicht auf Sortenwechsel an,

angesichts des erforderlich hohen Durchsatzes auch nicht auf Dimension und (geringes) Gewicht, wohl aber auf Genauigkeit (Parallelführung) und auf die Verteilzeit im Zusammenhang mit Zuführen und Abführen des Preßguts, was zweckmäßigerweise mög¬ lichst schnell und automatisch geschehen muß. Es geht bei die¬ sen Anlagen auch vordergründig um die Lösung von Adhäsionsauf¬ gaben, nicht um Umformung. Die Taktzeit wird durch die Auf¬ heizzeit und (chemische) Reaktionszeit bestimmt. Die Abkühlung erfolgt ungesteuert außerhalb der Anlagen. Demgemäß stehen Verbesserung des Fertigungsflusses und konstruktive Vereinfa¬ chung der entsprechenden Einrichtungen bei DE-OS 32 33 272, 27 20 026, 20 01 582, 25 27 034, 25 28 291 im Vordergrund.

Die Erfindung zielt auf ein Verfahren und eine Anlage zur großseriellen taktweisen Umformung von Halbzeug aus konsoli¬ dierten Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffen derart, daß bei Taktzeiten im Bereich von Sekunden anisotrope (1 ) Formteile entstehen mit gleichmäßig hoher Qualität von Werkstoff und Oberfläche und bei geringstmöglichem Prozeßrisiko (= Anteil Ausschuß/Nacharbeit) . Zugleich sollen niedrige Anlagenkosten und Sortenwechselkosten sowie Werkzeugkosten zu niedrigen Verarbeitungskosten führen und zu einer flexiblen Prozeßsteuerung. Diese soll sich auf zwei, möglichst sogar nur einen Parameter (Temperatur) beschränken.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die in den An¬ sprüchen 1 und 12 gekennzeichneten Merkmale. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige weitere Ausbildungen der Erfindung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren

- ist die Taktzeit wesentlich durch die Umformzeit bestimmt,

- sind die Prozeßparameter auf Druck und Temperatur, die Pro¬ zeßsteuerung sogar möglichst nur auf die Temperatur be¬ schränkt,

- wird der Druck minimiert durch entsprechende Steuerung der Temperatur,

- wird das Prozeßrisiko trotz höchstmöglicher Prozeßgeschwin¬ digkeit begrenzt durch den Rückgriff auf konsolidiertes, qualitätsgesichertes Vormaterial und faserschonende Prozeß¬ führung.

Die niedrigen Drücke gestatten eine entsprechend geringere Dimensionierung der Anlage sowie insbesondere der Werkzeuge. Beides sind wichtige Voraussetzungen flexibler und kostengün¬ stiger Prozesse. Die Konzentration der Prozeßsteuerung auf den Parameter Temperatur vereinfacht und sichert den Prozeß; sie fördert zudem einen hohen Automatisierungsgrad.

Die Anlage und das Verfahren zur Herstellung des Vormaterialε, etwa in der Form des Organischen Blechs', sind nicht Gegen¬ stand dieser Erfindung. Eine solche Anlage kann jedoch im Ver¬ bund stehen mit der erfindungsgemäßen Anlage. Als Halbzeug kommen infrage Platten, Rohre, Paneele, Sandwich-Platten.

Das erfindungsgemäß verwendete konsolidierte Hochleistungs-Fa- serverbundmaterial (Vormaterial) besteht aus hochfesten (orga¬ nischen, anorganischen, metallischen) Fasern oder Faserbündeln (Rovings) in einer formdienlichen, (stützenden) thermoplasti¬ schen Matrix, die bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstem¬ peratur beliebig häufig und ohne Veränderung der chemisch-phy¬ sikalischen Eigenschaften plastisch wird. Das gilt sowohl für bestimmte Metalle ('Metall Matrix Composites' — MMC's) wie für bestimmte Kunststoffe ('Plastic Matrix Composites' - PMC's). Bei der Herstellung von Formteilen aus solchen Verbun¬ den kann man im Bereich der Erweichungstemperatur bzw. Kri- stallitschmelztemperatur der Matrix mit sehr geringen Form¬ kräften auskommen. Die Formzeiten liegen dann im Sekundenbe¬ reich, Formdrücke unter 1 bar. Die Verformung läßt sich belie¬ big häufig wiederholen. Die technisch/physikalischen Eigen¬ schaften des Verbundes bleiben weitgehend erhalten, sofern Fa¬ serbrüche vermieden werden.

Dabei kommen gemäß gegenwärtigem Stand der Werkstoffentwick¬ lung vorwiegend faserverstärkte (thermoplastische) Kunststoffe in Betracht (FVK) . Die mechanische Festigkeit dieser Werkstof¬

fe ist von verschiedenen Parametern abhängig wie Polarität des Werkstoffes, Grad der Molekülorientierung, Molekulargewicht, Vernetzung, Kristallinität, Kristallorientierung.

Der Grad der Kristallinität ist dabei durch Aufheiz- und Ab¬ kühlgeschwindigkeit veränderbar ebenso wie durch die Tempera¬ tur der Verformung. Die Anpassung der Werkstoffeigenschaften durch Veränderung der Temperaturänderungs-Geschwindigkeit so¬ wie der Verformungstemperatur ist wesentlicher Bestandteil dieser Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe innerhalb eines Be¬ reichs mit niedrigster mechanischer Festigkeit und größter Dehnbarkeit des Matrixwerkstoffes umzuformen, wie etwa Fig. 3 und 4 zeigen. Ferner wird durch Steuerung eines bestimmten Temperaturprofils über das Werkzeug wie auch den Formrahmen an zuvor definierten Stellen des Formteils eine höhere Kristalli¬ nität erzeugt und damit eine höhere mechanische Festigkeit an dieser Stelle erreicht (Fig. 5).

Von wesentlicher Bedeutung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der ihm entsprechenden tunnelartigen Anlage sind drei in einem geschlossenen und gekapselten Fertigungssystem modular¬ tig aneinander gereihte Komponenten, die nacheinander durch¬ laufen werden, nämlich eine Heizkomponente, eine Formkompo¬ nente, eine Kühlkomponente. In der Heizkomponente wird das Halbzeug von der Raumtemperatur eingangs der Anlage auf die wekrstoffspezifische Formtemperatur eingangs der Formkomponen¬ te aufgeheizt; in der Formkomponente erfolgt die Formung des Vormaterials zum Formteil mittels unterschiedlicher Formver¬ fahren; in der Kühlkomponente wird das Formteil auf eine Tem¬ peratur unterhalb der Erweichungs- bzw. Kristallisationstempe¬ ratur abgekühlt, wobei jeweils genau vorgeschriebene Heiz¬ bzw. Kühlgradienten eingehalten werden müssen.

Die Komponenten müssen schlüssig nacheinander angeordnet sein, da schon geringe Temperaturdifferenzen im Vergleich zur opti¬ malen Formtemperatur, sei es innerhalb des Prozesses als auch innerhalb des Werkstücks, zu wesentlich höheren Formdrücken

zwingen mit entsprechend höherem Risiko von Faserbeschädigun¬ gen. Die Kapselung des Systems erhöht den wärmetechnischen Wirkungsggrad und mindert demzufolge das Prozeßrisiko.

Von weiterer wesentlicher Bedeutung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der ihm entsprechenden Anlage ist ein Formrah¬ men. In diesem sind die Fasern des Verbundwerkstoffes in vor¬ bestimmten Richtungen angeordnet, z. B. in Form eines Gewebes oder in Form eines Geleges. In einem Verbund können zudem meh¬ rere Lagen solcher Gewebe angeordnet sein mit unterschiedli- chen Fasertypen. Die Fasern übernehmen vor der Matrix die Funktion der Kraftdurchleitung; es kommt demgemäß auf ihre Schonung und Ausrichtung an. Bei der Formung müssen sich die Fasern möglichst frei gegeneinander verschieben lassen, ohne sich übereinander zu schieben (Faltenbildung). Zumal bei meh¬ reren Lagen. Die Formkraft soll dabei niedrig sein und zudem gleich verteilt sein über die gesamten Flächen von Vormaterial und Formteil. Die relative Bewegung der Fasern zueinander wird durch diesen Formrahmen gefördert, der je nach Formteilgeome¬ trie anders gestaltet ist und damit die Funktion eines zweiten Werkzeugs erhält. Er weist steuerbare Fließhindernisse auf bzw. ist in Zonen temperaturgesteuert so, daß während der tex- tilen Formung bestimmte Faserbereiche gegenüber anderen Faser¬ bereichen in ihrer Bewegung verzögert werden.

Der Formrahmen ist in die Transporteinrichtung in geeigneter Weise integriert.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeiεpielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine tabellenartige Gegenüberstellung bekannter Verfah¬ ren und des mit "Mobik-Organoblech" bezeichneten Ver¬ fahrens;

Fig. 2 und 3 den Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Anlage, und zwar für thermoplastische Kunststoffe ammorpher Konsistenz (Fig. 3) wie kristalliner Konsistenz (Fig.

4, wobei darauf hinzuweisen ist, daß die Anlage im Be¬ reich des weichelastischen bzw. plastischen Zustands (EB = Erweichungs-/Einfrierbereich, FB = Fließbereich, ZB = Zersetzungsbereich, KB = Kristallschmelzbereich) arbeitet und wobei ferner die Dehnung gestrichelt und die Zugfestigkeit mit ausgezogener Linie dargestellt ist ;

Fig. 4 die Zugfestigkeit der Matrix je nach Abkühlgeschwindig¬ keit (in °C/Sek.), wobei eine hohe Geschwindigkeit eine amorphe Struktur mit geringerer Festigkeitsfolge hat;

Fig. 5 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Anlage bzw. Vorrichtung, die auch zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient;

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage;

Fig. 7 schematisch nur die Formzone bei Verwendung von Unter¬ druck;

Fig. 8 schematisch nur die Formzone bei Verwendung von Gas¬ druck;

Fig. 9 schematisch nur die Formzone bei Verwendung von Hydro- formen;

Fig.10 einen gemäß der Erfindung vorgesehenen Halterahmen;

Fig.11 eine schematische Draufsicht auf den Halterahmen;

Fig.12 im oberen Teil schematisch eine Draufsicht auf das fer¬ tige Formteil, beispielsweise eine Kofferschale, wobei im unteren Teil der Fig. 12 eine Seitenansicht der Kof¬ ferschale gezeigt ist.

Die Fig. 1 bis 4 wurden bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert, so daß nunmehr sogleich anhand der Fig. 5 ein er¬ stes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie auch des Verfahrens zum großseriellen kontinuierlichen taktweisen Formen von konsolidierten Hochleistungs-Faserver- bundwerkstoffen zu dreidimensionalen Formteilen erläutert werden kann.

Erfindungsgemäß besteht die gesamte Anlage oder Vorrichtung aus einem Tunnel 1, in dem eine Heizzone 2, eine Formzone 3

und eine Kühlzone 4 untergebracht sind. Allgemein sieht das Verfahren also eine Heizphase, eine Formphase und eine Kühlphase vor.

Die Gesamtanlage wird von einer Förderanlage 5 durchlaufen. Diese Förderanlage 5 fördert das Vormaterial 7, ausgehend von einer Aufnahmestation 9 durch die Gesamtanlage hindurch zu einer Entnahmestation 10, in der das fertige bereits abgeküh¬ lte Formteil 11 entnommen wird.

Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Vormaterial 7 um einen konsolidierten Hochleistungs-Faserverbundwerkstoff. Das Vorma¬ terial 7 besitzt also, wenn es in der Aufnahmestation 9 an¬ kommt, bereits einen konsolidierten Zustand, d. h. der ur¬ sprüngliche schichtenförmige Aufbau wurde mit den Fasern ver¬ preßt, so daß die Fasern von einer Matrix umgeben sind. Die Matrix wird durch ein Thermoplastmaterial gebildet, welches, wie bereits erwähnt, ein thermoplastischer Kunststoff oder auch ein Metall, vorzugsweise Aluminium, sein kann. Mit dem Ausdruck "Hochleistung" wird angedeutet, daß das Fasermaterial in einer Menge größer als 50 Volumen-% im Vormaterial vorhan¬ den ist. Der Ausdruck "Hochleistung" soll ferner bedeuten, daß die Fasern gerichtet und endlos sind, um im Werkstoffverbund die Kraft durch leitende Funktion übernehmen zu können vor der Matrix (Anisotropiemerkmal).

Erfindungsgemäß ist nun vorzugsweise ein Formrahmen 8 vorgese¬ hen und wie in Fig. 5 gezeigt, an der Aufnahmestation 9 ange¬ ordnet.

Der Formrahmen besteht aus einer oberen und unteren Hälfte 8a, 8b die auch als Oberteil und Unterteil bezeichnet werden kön¬ nen. Im Formrahmen 8 sind entsprechend der gewünschten Form des herzustellenden Formteils Ausnehmungen vorgesehen.

Nachdem das Vormaterial 7 auf die obere Hälfte 8a aufgelegt ist, wird der Formrahmen 8 zusammen mit dem Vormaterial 7 von der Förderanlage 5, ausgehend von der Aufnahmestation 9, zu¬ nächst in die Heizzone 2 transportiert, um dort auf die Werk¬ stoffspezifische Formtemperatur aufgeheizt zu werden. Der Formrahmen wandert dann zusammen mit dem Vormaterial 7 in die Formzone 3 und von dort zur Kühlzone 4, wobei dann nach Entnahme des fertigen abgefüllten Formteils 11 von dem Form¬ rahen 8 dieser schnell und möglichst ohne weiteren Temperatur¬ verlust über einen Kanal 12 zur Aufnahmestation 9 zurückkehrt, um dort wieder mit Vormaterial 7 belegt zu werden.

Die Förderanlage 5 kann in der Aufheiz- und Kühlzone 2, 4 der¬ art gestaltet sein, daß bei einer durch die Formzeit in der Formzone 3 bestimmten Taktzeit unterschiedliche Verweilzeiten in der Aufheiz- und Kühlzone 2, 4 ermöglicht werden.

In der Formzone 3 wird das Vormaterial 7 zu einem Formteil 11 geformt, welches in der Entnahmestation 10 bereits aus dem Formrahmen 8 entnommen dargestellt ist.

Das Vormaterial wird in an sich bekannter Weise unter Ausnut¬ zung des unstetigen Verhaltens der mechanischen Eigenschaften des verwendeten Thermoplasts in der Formzone 3 verformt, wobei vorzugsweise zur Steuerung des Verfahrens allein die Umform¬ temperatur des Vormaterials bei der Verformung derart ausge¬ nutzt wird, daß ein möglichst niedriger Verformungsdruck auf das in der Formzone 3 befindliche Vormaterial ausgeübt werden muß. Vor dem Umformen wird das Vormaterial in der Heizzone 2 auf die Umformungstemperatur derart erwärmt, daß das Vormate¬ rial durch und durch die Umformungstemperatur aufweist. Vor¬ zugsweise ist die Temperatur des Vormaterials ausgangs der Heizzone 2 genau gleich der Temperatur eingangs der Formzone 3, so daß ein geschlossenes oder gekapseltes Fertigungssystem gebildet wird. Ferner ist vorzugsweise auch die Temperatur des noch nicht abgekühlten Formteils eingangs der Kühlzone 4 genau gleich der Temperatur ausgangs der Formzone 3.

Der auf das in der Formzone befindliche Vormaterial ausgeübte Druck wird abhängig von der Temperatur derart gesteuert, daß eine minimale Umformenergie für die Umformung erforderlich wird.

Im einzelnen sei nun auf unterschiedliche Verfahren eingegan¬ gen, durch die in der Formzone 3 das Vormaterial 7 zum Form¬ teil 11 geformt werden kann.

Zunächst ist in Fig. 5 der Fall des Tiefziehens veranschau¬ licht. Fig. 7 zeigt die Verformung durch Niederdruck, Fig. 8 durch Gasdruck und Fig. 9 hydromechanisch.

Im Falle des in Fig. 5 gezeigten Tiefziehens kann das Werkzeug 13 aus einem weichen Werkstoff, wie beispielsweise Silikon¬ kautschuk, bestehen.

Vorzugsweise sind die den Druck erzeugenden Aggregate außer¬ halb der tunnelartigen Einrichtung (Tunnel) 1 wie bei 14 ge¬ zeigt angeordnet. Erfindungsgemäß sind wie in Fig. 5 gezeigt, zwei getrennte druckerzeugende Einheiten vorgesehen, und zwar einmal für einen Werkzeughalter 15 und zum anderen für einen Niederhalter 16. Die druckerzeugenden Einheiten können je nach Werkstück unabhängig voneinander gesteuert werden, beispiels¬ weise so, daß der Niederhalter 16 zuerst den Halterrahmen 8 niederhält, bevor der Werkzeughalter 15 die Verformung vor¬ nimmt.

Diese erfindungsgemäße Anordnung vereinfacht die (dadurch Tem¬ peratur unabhängige) Auslegung der druckerzeugenden Anlage und erleichtert den Werkzeugwechsel.

Die Gesamtanlage ist, was die Drücke betrifft, so ausgelegt, daß auch druckempfindliche Vormaterialien, wie Sandwich-Panee¬ le mit Strukturkernen (Waben) oder Schaumkernen, verarbeitet werden können.

Was die Heizzone 2 anlangt, so erfolgt die Beheizung vorzugs¬ weise durch warme Luft, ansonsten aber auch durch jedes, andere Verfahren, wobei vorzugsweise gezielter Feinsteuerung der Tem¬ peratur im vorzugsweise auch beheizbaren Formrahmen 8.

Der Druck kann auf vielfältige Weise erzeugt werden, bei¬ spielsweise hydraulisch, pneumatisch, elektromagnetisch, me¬ chanisch oder hydromechanisch.

Bevor auf die Fig. 6 näher eingegangen wird, sei zunächst an¬ hand der Fig. 10 bis 12 eine erfindungsgemäße Ausbildung des Formrahmens 8 beschrieben, der aus einem unteren Teil 8b und einem oberen Teil 8a besteht. Der Formrahmen 8 übt beim erfin¬ dungsgemäßen Verfahren vorzugsweise eine Mehrfachfunktion aus: Das Vormaterial, in Fig. 11 in Draufsicht gezeigt, wird durch den Formrahmen 8 in einer bestimmten Drehrichtung (z. B. O°/90° oder +45°) faserorientiert gelagert. Durch besondere konstruktive Ausgestaltung bestimmter Teile des Formrahmens, vgl. in Fig. 10 die Rückhaltezonen Rz, wird die notwendige re¬ lative Bewegung der Fasern in Kettrichtung und Schußrichtung zueinander gefördert. Zu diesem Zweck kann es zweckmäßig sein, diese Rückhaltezonen Rz unterschiedlich zum übrigen Formrahmen 8 zu temperieren (Verzögerung durch unterschiedliche Viskosi¬ tät der Matrix des Vormaterials).

Erfindungsgemäß ist im Falle des Tiefziehens oder vergleichba¬ rer Verfahren die untere Hälfte 8b des Formrahmens 8 zugleich als Zierring ausgebildet. Werkzeug und Formrahmen ergänzen sich in ihrer Funktion bei der Verformung des Vormaterials.

Fig. 11 zeigt das Vormaterial mit den Rückhaltezonen. Die in diesen Rückhaltezonen endenden Fäden oder Fasern werden verzö¬ gert im Verhältnis zu den übrigen Fäden, so daß die Relativbe¬ wegung in Gang kommt. Fig. 12 zeigt ein Formteil, beispiels¬ weise eine Kofferschale, wie sie durch einen Formrahmen 8 der abgebildeten Art formbar ist.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausbildung der erfindungsgemäßen An¬ lage, und zwar unter Verwendung einer anderen Ausgestaltung des Formrahmens, der hier mit dem Bezugszeichen 80a, 80b be¬ zeichnet ist. Erfindungsgemäß ist hier zur Beschleunigung der Beschickung der Anlage wie auch zur Beschleunigung der Entnah¬ me des Formteils 11 die obere Hälfte 80a des Formrahmens am Niederhalter 16 angebracht.

Ganz allgemein ist der Formrahmen 8 (Fig. 5) bzw. der untere Teil 80b des Formrahmens 80 (Fig. 6) in geeigneter Weise in die Förderanlage 5 integriert, und zwar insbesondere so, daß bei Sortenwechsel und Werkzeugwechsel andere Formrahmen auf das Fördersystem aufgesetzt werden können. Die Förderanlage 5 ist im übrigen so flexibel gestaltet, daß bei Unterbrechungen der Anlage möglichst wenig "Leerteile" durch die Anlage lau¬ fen.

Wie bereits erwähnt, wird in der Kühlzone 4 das Formteil so weit kontrolliert abgekühlt, daß es seine Form behält und die Matrix die gewünschte Konsistenz aufweist.

Es sei jetzt nochmals auf die Fig. 7 bis 9 eingegangen, wo drei besonders bevorzugte Verfahren zur schonenden Verformung des Vormaterials 7 dargestellt sind.

Fig. 7 zeigt das Unterdruckverfahren, bei dem der Formrahmen 8 auf ein Gestell 17 aufliegt, welches entweder stationär in der Formzone 3 angeordnet ist oder aber beweglich als Teil der Förderanlage 5 ausgebildet ist. Der innerhalb des Gestells 17 angelegte Unterdruck führt dazu, daß der Formvorgang beim Er- reichen der Formtemperatur "automatisch" einsetzt, d. h. so¬ bald die Matrix des Vormaterials die Werkstoffspezifische phy¬ sikalische Umformtemperatur erreicht hat. Ein Niederhalter 18 liegt während der Anlage des Unterdrucks am Formrahmen 8 an.

Fig. 8 zeigt das Überdruckverfahren. Hier dichtet der Nieder¬ halter 18 das System zugleich ab, so daß bei Erreichen der dem Druck des Gases entsprechend physikalischen Eigenschaften der Matrix die Verformung wiederum automatisch einsetzt.

Fig. 9 schließlich zeigt das Schema eines hydrostatischen Formverfahrens. Hier drückt der Stempel/Werkzeughalter 19 auf das Vormaterial 7 und auf ein Fluidkissen 20, welches durch eine Membran 21 abgeschlossen ist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum großseriellen, kontinuierlichen, taktweisen Formen von Faserverbundwerkstoffen auf der Basis von die Matrix bildenden thermoplastischen Materialien zu dreidimensionalen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die als Vormaterial verwendeten Faserverbundwerkstoffe konsolidierte Hochleistungs-Faserverbundwerkstoffe sind, wobei mit dem Ausdruck "konsolidiert" ausgedrückt wird, daß bereits ein schichtweise aufgebauter Faserverbundwerkstoff gebildet ist, bei dem (auch unterschiedliche Zusammensetzung besitzende ) Fasern mit der Matrix verpreßt sind, und wobei mit dem Ausdruck "Hochleistung" ausgedrückt wird, daß der Faservolumenanteil des Vormaterials vorzugsweise größer als 50% ist, daß die Fasern gerichtet sind, und daß die Fasern endlos sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konsolidierte Hochleistungs-Faserverbundwerkstoff (Vormaterial) in an sich bekannter Weise, unter Ausnutzung des unstetigen Verhaltens der mechanischen Eigenschaften des verwendeten thermoplastischen Materials, verformt wird, wobei das Verfahren über die Temperatur des Vormaterials so gesteuert wird, daß ein möglichst niedriger Verformungs¬ druck ausreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Formen entstandene Formteü je nach gewünschter mechanischer Eigenschaft der Matrix (amorph, kristallin) unterschiedlich schnell abgekühlt wird, z. B. schnell für den Erhalt einer amorphen und langsam für eine kristalline Matrix.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial vor dem Um¬ formen auf die Umformungstemperatur derart erwärmt wird, daß das Vormaterial durch und durch die Umformungs¬ temperatur aufweist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren dreistufig abläuft, und zwar aufgeteilt in eine material¬ spezifisch gesteuerte Heizphase, eine Formphase und eine ebenso materialspezifisch gesteuerte Kühlphase.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß die Form- oder Umformzeit maßgebend ist für die Taktzeit des Gesamt¬ verfahrens, und daß gegebenenfalls mehrere parallel angeordnete Heizphasen und auch mehrere parallel angeordnete Abkühlphasen vorgesehen sind.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Vormaterials ausgangs der Heizphase genau gleich der Temperatur eingangs der Formphase ist, etwa dadurch, daß ein geschlossenes oder gekapseltes Fertigungssystem gebildet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Formteils eingangs der Kühlphase genau gleich der Temperatur ausgangs der Formphase ist.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Vormaterials eingangs der Formphase identisch zur Temperatur des Formteils ausgangs der Formphase ist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des auf das Vorriiaterial in der Formphase ausgeübten Drucks derart abhängig von der Temperatur erfolgt, daß zur Umformung eine minimale Umformenergie erforderlich ist.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei beheiztem Werkzeug die Temperatur des Werkzeugs unabhängig von der Temperatur der Formphase steuerbar ist.

12. Vorrichtung zum großseriellen, kontinuierlichen, taktweisen Formen von Faserverbundwerkstoffen, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anlage vorgesehen ist, die mindestens drei Zonen aufweist, und zwar eine Aufheizzone, eine Formzone und eine Kühlzone.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Zonen unmittelbar aneinander grenzen, und so eine geschlossene Fertigungsanlage bilden.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Formzonen hintereinander vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, daß mehrere parallel angeordnete Aufheizzonen und auch mehrere parallel angeordnete Abkühlzonen vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizzone, die Formzone und Kühlzone als eine tunnelartige Einrichtung ausgebildet sind.

17. Vorrichtung -nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die drucker¬ zeugenden Aggregate außerhalb der Anlage angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Förderanlage (5) für das Vormaterial und das Formteil vorgesehen ist, um einen kontinuierlichen Kreislauf von einer Aufnahme¬ station (9) über die Heizzone, die Umformzone und die Kühlzone (4) zu einer Entnahemstation zu bilden.