WO2015024806A1 - Verfahren zur herstellung eines faserverstärkten kunststoffbauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines faserverstärkten kunststoffbauteils Download PDF

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WO2015024806A1
WO2015024806A1 PCT/EP2014/067159 EP2014067159W WO2015024806A1 WO 2015024806 A1 WO2015024806 A1 WO 2015024806A1 EP 2014067159 W EP2014067159 W EP 2014067159W WO 2015024806 A1 WO2015024806 A1 WO 2015024806A1
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endless
carrier web
reinforcing threads
endless carrier
reinforcing
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Olaf Täger
Max Ehleben
Lothar Kroll
Hans-Jürgen Heinrich
Frank Helbig
Wolfgang Nendel
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Volkswagen AG
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    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29B—PREPARATION OR PRETREATMENT OF THE MATERIAL TO BE SHAPED; MAKING GRANULES OR PREFORMS; RECOVERY OF PLASTICS OR OTHER CONSTITUENTS OF WASTE MATERIAL CONTAINING PLASTICS
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    • B29B11/14—Making preforms characterised by structure or composition
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29L2031/30—Vehicles, e.g. ships or aircraft, or body parts thereof
    • B29L2031/3055—Cars

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic component according to the preamble of claim 1.
  • a common method for producing a fiber-reinforced plastic component is the so-called RTM process (resin transfer oulding).
  • RTM process resin transfer oulding
  • a preform formed from flat semifinished fiber products for example fiber fabric
  • the preform is still in the dry state, that is still without matrix material.
  • To complete the plastic component of the preform is inserted as an insert part in a mold chamber forming mold halves of an RTM tool. Subsequently, the liquid starting component of the matrix material is injected under heat and pressure into the molding chamber. After curing of the matrix material, the finished plastic component can be removed from the RTM tool.
  • the above preform can be made as follows
  • High-performance weaving machines produced in a continuous production process from an endless fabric web.
  • the endless fabric web has a warp thread system oriented in the direction of production and a weft thread system crossed at approximately right angles thereto. Both the warp thread system and the weft system have
  • Reinforcing fibers such as carbon fiber rovings on.
  • Component contour corresponds.
  • the blanks are stacked to form a layer stack, with the interposition of a binder.
  • the stacked flat semi-finished products can be arranged in the same and different fiber orientation.
  • the still loose ply package is solidified and preformed under pressure and heat.
  • the preform thus formed can then be transported further to the RTM tool.
  • the binder By means of the binder it is ensured that the preform has a sufficiently high component stability for the
  • a further method for producing a semi-finished fiber product for fiber-plastic composite components is known, stored in the fiber bundles on a laying unit and fixed by arbitrarily oriented seams. The seams represent the component end contour.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a fiber-reinforced plastic construction part, in which the cost of materials is reduced in the reinforcing fibers.
  • the semi-finished fiber product is produced as follows:
  • endless reinforcing filaments are laid down and fixed parallel to the conveying direction on an endless carrier belt continuously conveyed in a conveying direction.
  • the endless reinforcing threads are laid down on the endless carrier web and fixed in such a way that a sheet material results whose contour corresponds to the final contour of the plastic component.
  • the endless carrier web can be a pliable quasi endless web.
  • This can consist of a textile fleece, a textile grid (with larger lattice spacings, about 1-5 mm) or even of a film.
  • the material of the web may be made of the same material as the reinforcing threads or else a thermoplastic such as polyamide, polypropylene or else. The web material ensures a basic structure and fixation of the deposited thereon
  • the web goods out Thermoplastic material, so it can melt in the subsequent molding process and connect to the surrounding, ideally made of the same thermoplastic, matrix. Furthermore, the web can be in the form of a nonwoven for downstream
  • the endless reinforcing threads may be made of carbon, glass, aramid and basalt fibers, or even hybrid threads, such as thermoplastic and carbon or glass.
  • the endless reinforcing threads are non-positively fixed on the grid by mesh-forming thread systems or by targeted, local or fully enclosing embedding in plastics, so that finally a fiber-scrim is formed.
  • the feed and the thread feeding are designed so that the sequential storage of the side by side guided to reinforcing threads at predefined locations along the
  • Direction of conveyance of the endless carrier web are interrupted and can be resumed at also predefined places.
  • the positions of the thread storage interruption or the thread re-deposit can be varied over the entire width of the preform (y-direction), so that in the x / y plane cutouts without reinforcing threads of any contour and edge areas without reinforcing threads of any contour in one continuous filing process can arise.
  • the threads are first deposited in individual layers parallel to the conveying direction (0 direction).
  • the storage of endless reinforcing fibers with an arbitrary angular orientation ( ⁇ > 0 °) to the conveying direction of the continuously supplied web material can be realized in that the component contour with all cutouts, which determines the positions for thread storage interruption and thread re-deposition to the corresponding angle ⁇ to the conveying direction rotated (x or 0 direction) is. This can continue to be promoted in the x direction.
  • the resulting by the rotation of the component contour additional width of textile thread tray is vorzuhalten in the width of the endless carrier web accordingly.
  • the filing of the endless reinforcing threads on the support grid is controlled by a textile machine, which moves a predefined contour along the width of the web (y-direction).
  • a textile machine which moves a predefined contour along the width of the web (y-direction).
  • Reinforcing threads are generated.
  • the endless carrier web as a textile supporting framework can already be made of reinforcing threads (for example glass fibers). If a different type of material (for example carbon fibers) is used to deposit the reinforcing threads, a two-layered hybrid reinforcing structure (for example glass and fiberglass) arises over the layer thickness of the P reform
  • the grid produced in accordance with the above description (ie endless carrier web) with reinforcing threads fixed thereon by friction or material fit can be cut out along the component contour using suitable machines. Since reinforcing threads are located only within the component contour, the cutting out of the web material produces virtually no drop in reinforcing threads.
  • the cut-out component contours can either be obstructed in a subsequent "preforming" step and
  • At least two or more roving sections of carbon, glass, basaltic aramid fibers, etc. are fed synchronously to the carrier web onto a continuously or discontinuously moved carrier web made of fleece, woven or knitted grid, film, etc., and stored and fixed side by side ,
  • the roving can be provided by a gate or already prepared by a disc coil.
  • the roving materials can have different finenesses (for example 12K, 24K, 50 K or larger). In the case of direct rovings, these are to be spread to a predetermined basis weight and width. This process takes place online with the laying process.
  • the rovings must first be brought to the respective Briton and to the respective weight per unit area by a spreading process.
  • Each roving of the roving hat is by means of suitable means individually movable to each other, positionable and ablnaturebar and reusable at any time depending on the component contour. Place and time of the sequential separation of the individual reinforcing threads from their processing with the continuously fed web goods and their sequential
  • Re-incorporation into the flow of goods is controlled as a result of the speed of the web material over the respective given Preformgeometrie and their respective
  • the individual rovings are to be arranged in such a way that a mutual influence is excluded and nevertheless a complete storage area can be achieved.
  • the fixing on the carrier web can be done via adhesive, sewing threads, thermal etc.
  • the endless carrier web can be provided as a winding and moved in the tensioned state via a synchronously moving conveyor belt.
  • the Rovingablaufstellen as braked disk coils in two levels, each offset by a Roving whatsoever.
  • Each roving has a separate train for single roving and a separately controllable cutting device.
  • Each roving is a mechanical or pneumatic auxiliary element arranged, which fixes the roving for working under a load roller, rod or tape on the carrier web.
  • the applied roving flock is fixed by means of sewing threads on the carrier material.
  • the thus formed component sections are separated by means of longitudinal and transverse cutting devices by separating the carrier web.
  • thermoplastic sheet When using a thermoplastic sheet is a fixation of hybrid fibers consisting of glass or carbon fibers and thermoplastic fibers, also by a thermal joining, for example, with ultrasound, laser, flame, etc. possible.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a preform for a flat fiber composite plastic component
  • Form fiber orientation in a further schematic exploded view of an indicated mold, in which the cut from the endless carrier web fiber semifinished products are stacked to form a layer package; and in a schematic perspective view of an apparatus for producing semi-finished fiber.
  • Fig. 1 is shown in simplified form a preform 1, which is used for example for producing a body part for a motor vehicle, such as a fender, etc. by the RTM method (Resin Transfer Molding) or a similar method.
  • the preform 1 is constructed on three stacked, semi-finished fiber blanks 3 described later, whose contour with the final contour of the not shown
  • Plastic component is identical.
  • FIG. 2 a continuous carrier web 5 is shown in a partial view.
  • the endless carrier web 5 is in the embodiment shown a pliable web of a textiles grid.
  • the endless carrier web 5 ensures a basic structure on which the endless reinforcing threads 7 are laid down and fixed parallel to the conveying direction F.
  • the endless reinforcing threads 7 are arranged so that they result in their entirety fabrics 9, 10, 1 1, whose contour corresponds to the final contour of the plastic component to be produced.
  • the individual sheets 9, 10, 1 1 surface and contour equal, but positioned in a different orientation on the endless carrier web 5, whereby the reinforcing fibers 7 in different orientation in the respective
  • Sheets 9, 10, 1 1 are stored and fixed.
  • the fabrics 9, 10, 1 1 are in the conveying direction F viewed over surface cutouts 13 without endless reinforcing threads 7 from each other.
  • each of the fabrics 9 to 1 1 further circular surface cutouts 13, which are free of Endlosverstärkungsfäden 7.
  • Verites perennial nervous system 17 are discharged as aterialausschuss from the process cycle.
  • the blank edges 15 of the fiber-semifinished blanks 3 extend along the contour edges of the fabrics 9, 10, 1 1, which is found in Veritespsychanteil 17 exclusively the textile grid of the endless carrier web 5, but not the endless reinforcing threads. 7
  • the thus obtained semi-finished fiber blanks 3 are in Fig. 3, in particular with the interposition of a binder in a mold 19 to a layer package
  • the stacked fiber semifinished products 3 have different reinforcing fiber orientations.
  • the still loose in the mold 19 arranged layer package is solidified under pressure and heat and optionally preformed three-dimensional.
  • the preform 1 thus formed is shown in FIG. After the pressure and heat treatment, the preform 1 has a sufficiently high component stability, which is a process-reliable
  • the preform 1 is inserted as an insert part. Subsequently, in a conventional manner, a liquid starting component of the
  • Matrix material under pressure and heat injected into the mold chamber After curing of the matrix material then the finished plastic component can be removed from the RTM tool.
  • a device for producing the semi-finished fiber blanks 3 is indicated schematically. Accordingly, the carrier endless web 5 is conveyed in the production direction F at a continuous conveying speed in the conveying direction F, via a Conveyor between a unwinding reel, not shown, to a take-up reel.
  • a first depositing station 27 and a second depositing station 25 are roughly indicated schematically via the conveying path, via which reinforcing filaments 7 can be deposited on the endless carrier web 5.
  • Each of the two storage stations 25, 27 has a series of transverse to the endless carrier web 5 and coaxially arranged disc coils 29, on each of which the endless reinforcing threads 7 are wound. These are deposited on the endless carrier web 5 via a roller system 31 with a predetermined depositing speed.
  • Storage speed is approximately identical to the conveying speed of the endless carrier web 5.
  • the disc coils 29 is preceded by a cutting station 33 and a
  • Sewing unit 35 In the conveying direction F for the second storage station 27 follows a cutting station, not shown, in which the fabrics 9, 10, 1 1 along the blank edges 15 are cut out of the endless carrier web 5.
  • the respective endless reinforcing thread 7 unwound from the disk bobbin 29 is cut to length from the cutting station 33 at a predetermined position P1 (shown by way of example in FIG , At the same time, the feeding of the cut-to-length endless reinforcing thread 7 is interrupted, with further conveying of the endless carrier web 5 at the conveying speed.
  • P1 shown by way of example in FIG .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem ein Vorformling (1) aus zumindest einem Faserhalbzeug (3) bereitgestellt wird und bei dem Endlos-Verstärkungsfäden (7) auf einer in einer Förderrichtung (F) kontinuierlich geförderten Endlos-Trägerbahn (5) parallel zur Förderrichtung (F) abgelegt und fixiert werden. Erfindungsgemäß werden die Endlos-Verstärkungsfäden (7) derart auf der Endlos-Trägerbahn (5) abgelegt und fixiert, dass sich ein Flächengebilde (9, 10, 11) ergibt, dessen Kontur der Endkontur des Kunststoffbauteils entspricht.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein gängiges Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils ist das sogenannte RTM-Verfahren (Resin-Transfer- oulding). Bei einem solchen gattungsgemäßen RTM-Verfahren wird zunächst ein aus flächigen Faserhalbzeugen (zum Beispiel Fasergewebe) gebildeter Vorformling bereitgestellt. Der Vorformling befindet sich noch im Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial. Zur Fertigstellung des Kunststoffbauteils wird der Vorformling als ein Einlegerteil in eine Formkammer ausbildende Werkzeughälften eines RTM-Werkzeugs eingelegt. Anschließend wird die flüssige Ausgangskomponente des Matrixwerkstoffes unter Wärme und Druck in die Formkammer injiziert. Nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem RTM-Werkzeug entnommen werden.
Der oben genannte Vorformling kann wie folgt hergestellt werden: So werden flächige
Faserhalbzeuge in gängiger Praxis in Form von Rollenware definierter Breite von den
Textilzulieferern bereitgestellt. Gewebte Faserhalbzeuge werden dabei mit Hilfe von
Hochleistungswebmaschinen in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess aus einer Endlos- Gewebebahn hergestellt. Die Endlos-Gewebebahn weist ein in der Fertigungsrichtung ausgerichtetes Kettfadensystem sowie ein in etwa rechtwinklig dazu verkreuztes Schussfadensystem auf. Sowohl das Kettfadensystem als auch Schussfadensystem weisen
Verstärkungsfasern, etwa Kohlenstofffaserrovings, auf.
Aus der Rollenware werden Faserhalbzeug-Zuschnitte angefertigt, deren Kontur der
Bauteilkontur entspricht. Die Zuschnitte werden zu einem Lagenpaket übereinander gestapelt, und zwar unter Zwischenlage eines Binders. Die übereinandergestapelten flächigen Halbzeuge können in gleicher und unterschiedlicher Faserorientierung angeordnet sein. Anschließend wird unter Druck und Wärme das noch lose Lagenpaket verfestigt und vorgeformt. Der so gebildete Vorformling kann dann weiter zum RTM-Werkzeug transportiert werden. Mittels des Binders wird gewährleistet, dass der Vorformling eine ausreichend große Bauteilstabilität für die
Handhabung bis zum RTM-Prozess aufweist. Durch das maßgenaue Zuschneiden der Faserhalbzeuge aus der Rollenware (entsprechend der Preform-Kontur) ergibt sich ein erheblicher Verschnitt, der als Materialausschuss aus dem Prozesskreislauf abgeführt werden muss und sich negativ auf die Kosten- und Umweltbilanz des gesamten Fertigungsprozesses auswirkt.
Aus der DE 199 52 443 A1 ist ein Verfahren von ebenen, maßgenauen und nicht
ausfransenden Faser-Halbzeugen für die Herstellung von Faser-Kunststoff- Verbundbauteilen bekannt. Um ein Ausfransen der Faserhalbzeuge zu vermeiden, werden die, die
Bauteilgeometrie nachbildenden Flächengebilde einer Endlos-Bahn an ihrer Außenkontur mit Hilfe einer Mehrfach-Naht abgenäht und anschließend entlang dieser Mehrfach-Naht ausgeschnitten. Aus der DE 100 05 202 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Faserhalbzeugs für Faser-Kunststoff- Verbundbauteile bekannt, bei dem Faserbündel auf eine Legeeinheit abgelegt und durch beliebig orientierte Nähte fixiert werden. Die Nähte stellen die Bauteilendkontur dar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff bau teils bereitzustellen, bei dem der Materialaufwand bei den Verstärkungsfasern reduziert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß wird das Faserhalbzeug wie folgt hergestellt: So werden Endlos- Verstärkungsfäden auf einer in einer Förderrichtung kontinuierlich geförderten Endlos- Trägerban parallel zur Förderrichtung abgelegt und fixiert. Die Endlos- Verstärkungsfäden werden derart auf der Endlos-Trägerbahn abgelegt und fixiert, dass sich ein Flächengebilde ergibt, dessen Kontur der Endkontur des Kunststoffbauteils entspricht.
Als Grundlage für die spätere Ablage der Verstärkungsfäden kann die Endlos-Trägerbahn eine biegeschlaffe quasi endlose Bahnware sein. Diese kann aus einem textilen Vlies, einem textilen Gitter (mit größeren Gitterabständen, etwa 1-5mm) oder auch aus einer Folie bestehen. Das Material der Bahnware kann aus dem gleichen Material wie die Verstärkungsfäden sein oder auch ein Thermoplast wie etwa Polyamid, Polypropylen oder auch ein anderes sein. Die Bahnware gewährleistet eine Grundstruktur und Fixierung der darauf abgelegten
Verstärkungsfäden über einen Nähfaden, der das Gitter durchstößt. Ist die Bahnware aus thermoplastischem Material, so kann es im späteren Formgebungsprozess aufschmelzen und sich mit der umgebenden, idealerweise aus dem gleichen Thermoplast bestehenden, Matrix verbinden. Ferner kann die Bahnware in Form eines Vlieses für nachgelagerte
Injektionsprozesse als Fließhilfe dienen.
Die Endlos-Verstärkungsfäden können aus Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- und Basaltfasern gefertigt sein, oder auch aus hybriden Fäden, etwa aus Thermoplast und Kohlenstoff oder Glas. Die Endlos-Verstärkungsfäden werden auf dem Gitter durch maschenbildende Fadensysteme kraftschlüssig oder auch durch gezielte, lokale oder vollständig umschließende Einbettung in Kunststoffen stoffschlüssig fixiert, so dass abschließend ein Faser-Gelege entsteht. Der Vorschub und die Fadenzuführung werden dabei so gestaltet, dass die sequentielle Ablage der nebeneinander zu geführten Verstärkungsfäden an vordefinierten Stellen entlang der
Förderrichtung der Endlos-Trägerbahn unterbrochen werden und an ebenfalls vordefinierten Stellen wieder aufgenommen werden kann. Die Positionen der Fadenablage-Unterbrechung bzw. der Faden-Wiederablage können über die gesamte Breite der Preform (y-Richtung) variiert werden, so dass in der x/y-Ebene Ausschnitte ohne Verstärkungsfäden beliebiger Kontur und auch Randbereiche ohne Verstärkungsfäden beliebiger Kontur in einem kontinuierlichen Ablageprozess entstehen können. Die Fäden werden dabei zunächst in Einzelschichten parallel zur Förderrichtung (0 -Richtung) abgelegt. Durch die Verwendung von Fasern unterschiedlicher Fasertiter, die vor dem Ablegen auf dem Traggitter in vorher genau definiertem Ausmaß gespreizt (Kohlenstofffasern) und entlang der Breite des Traggerüstes (y-Richtung) in variabler Form mit Fixierungsfäden versehen werden, können unterschiedliche Flächengewichte der NNP erzeugt werden.
Die Ablage von Endlos- Verstärkungsfasern mit einer beliebigen Winkelorientierung (φ >0°) zur Förderrichtung der kontinuierlich zugeführten Bahnware kann dadurch realisiert werden, dass die Bauteilkontur mit allen Ausschnitten, die die Positionen zur Fadenablage-Unterbrechnung und zur Faden-Wiederablage festlegt, um den entsprechenden Winkel φ zur Förderrichtung gedreht (x- bzw. 0 -Richtung) wird. Dadurch kann weiterhin in x-Richtung gefördert werden. Die durch die Drehung der Bauteilkontur entstehende zusätzliche Breite an textiler Fadenablage ist in der Breite der Endlos-Trägerbahn entsprechend vorzuhalten.
Die Ablage der Endlos-Verstärkungsfäden auf dem Traggitter (das heißt der Endlosträgerbahn) wird über eine Textilmaschine gesteuert, die eine vorher definierte Kontur entlang der Breite der Bahnware (y-Richtung) abfährt. Durch Variation der Fadenablage-Unterbrechung und Faden- Wiederablage in der Querrichtung können so entlang der Breite der als Traggerüst fungierenden Endlos-Trägerbahn gleichzeitig verschiedene Preform-Konturen mit den
Verstärkungsfäden erzeugt werden. Durch eine flächenoptimale Anordnung der Preform- Konturen über der Traggerüstbreite können so gleichzeitig verschiedene P reformen mit minimalem Verschnitt des Traggerüstes hergestellt werden.
Die Endlos-Trägerbahn als textiles Traggerüst kann bereits aus Verstärkungsfäden (zum Beispiel Glasfasern) ausgeführt sein. Wird für die Ablage der Verstärkungsfäden eine andere Art von Material (zum Beispiel Kohlenstofffasern) verwendet, entsteht über der Schichtdicke der P reform eine zweischichte hybride Verstärkungsstruktur (zum Beispiel Glas- und
Kohlenstofffasern). Wenn entlang der Traggerüstbreite (y-Richtung) eine spiegelsymmetrische Ablage der Preform-Konturen erfolgt, können nach Beendigung der Ablage der
Verstärkungsfäden und nach Ausschneiden der P reformen diese übereinandergelegt werden, so dass eine über der Schichtdicke hybride, mehrschichtige Gesamt-Preform aus
verschiedenen Materialien entsteht, zum Beispiel eine Sandwichstruktur.
Die gemäß Vorbeschreibung hergestellten Gitter (das heißt Endlos-Trägerbahn) mit darauf abgelegten, kraft- oder stoffschlüssig fixierten Verstärkungsfäden können mit geeigneten Maschinen jeweils entlang der Bauteilkontur ausgeschnitten werden. Da sich nur innerhalb der Bauteilkontur auch Verstärkungsfäden befinden, entsteht durch das Ausschneiden aus der Bahnware nahezu kein Abfall an Verstärkungsfäden. Die ausgeschnittenen Bauteilkonturen können in einem nachgelagerten„Preforming' -Schritt entweder bebindert und
aufeinandergelegt oder aufeinandergelegt und textiltechnisch fixiert werden, so dass ein Mehrlagenaufbau aus Einzellagen verschiedener Verstärkungsfaden-Orientierungen entsteht.
Auf eine sich kontinuierlich oder diskontinuierlich bewegte Trägerbahn aus Vlies, Gewebe- oder Gewirkegitter, Folie etc. werden gleichzeitig konturgerecht mindestens zwei oder mehrere Rovingabschnitte aus Carbon-, Glas-, Basalt- Aramid-Fasern etc. synchron zur Trägerbahn zugeführt, nebeneinander abgelegt und fixiert.
Der Roving kann dabei von einem Gatter oder bereits vorbereitet von einer Scheibenspule bereitgestellt werden.
Die Rovingmaterialien können dabei unterschiedliche Feinheiten aufweisen (zum Beispiel 12K, 24K, 50 K oder größer). Bei der Direktverarbeitung von Rovings sind diese auf ein vorbestimmtes Flächengewicht und eine vorbestimmte Breite aufzuspreizen. Dieser Vorgang erfolgt online mit dem Verlegeprozess.
Wird mit Scheibenspulen gearbeitet, sind die Rovings vorher durch einen Aufspreizprozess auf die jeweilige Brite und auf das jeweilige Flächengewicht zu bringen.
Jeder Roving der Rovingschar ist dabei durch geeignete Mitteln einzeln zueinander bewegbar, positionierbar und ablängbar und zu jedem Zeitpunkt wieder anarbeitbar je nach Bauteilkontur. Ort- und Zeitpunkt des sequentiellen Trennens der einzelnen Verstärkungsfäden aus ihrer Verarbeitung mit der kontinuierlich zu geführten Bahnware sowie deren sequentieller
Wiedereinarbeitung in den Warenfluss erfolgt gesteuert resultierend aus der Geschwindigkeit der Bahnware über die jeweils vorgegebene Preformgeometrie und deren jeweiliger
Ausrichtung über der Bahnware. Die einzelnen Rovings sind dabei so anzuordnen, dass eine gegenseitige Beeinflussung ausgeschlossen wird und dennoch eine lückenlose Ablagefläche erreicht werden kann.
Das Fixieren auf der Trägerbahn kann dabei über Kleber, Nähfäden, thermisch etc. erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Endlos-Trägerbahn als Wickel bereitgestellt und im gespannten Zustand über ein synchron mitlaufendes Transportband bewegt werden. Oberhalb der Trägerbahn befinden sich die Rovingablaufstellen als gebremste Scheibenspulen in zwei Ebenen, jeweils um eine Rovingteilung versetzt. Jeder Roving besitzt ein separates Zugwerk zur Einzelrovingförderung und eine separat ansteuerbare Schneideinrichtung.
Je Roving ist ein mechanisches oder pneumatisches Hilfselement angeordnet, das den Roving zum Anarbeiten unter einer Belastungswalze, Stab oder Band auf die Trägerbahn fixiert. An einer nachgeschalteten Vielnadelnähstelle wird die aufgelegte Rovingschar mittels Nähfäden auf dem Trägermaterial fixiert. Anschließend werden die so gebildeten Bauteilabschnitte mittels Längs- und Querschneideinrichtungen durch Trennen der Trägerbahn vereinzelt.
Bei Verwendung einer thermoplastischen Bahnware ist eine Fixierung von Hybridfasern, bestehend aus Glas- oder Kohlenstofffasern und thermoplastischen Fasern, auch durch ein thermisches Fügen, zum Beispiel mit Ultraschall, Laser, Flamme etc. möglich.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: in einer perspektivischen Ansicht einen Vorformling für ein flächiges Faser- Verbundkunststoff-Bauteil; in einer Teilansicht von oben eine Endlos-Trägerbahn mit darauf abgelegte; Endlos-Verstärkungsfäden, die jeweils Flächengebilde unterschiedlicher
Faserorientierung bilden; in einer weiteren schematischen Explosionsdarstellung ein angedeutetes Formwerkzeug, in das die aus der Endlos-Trägerbahn zugeschnittenen Faser- Halbzeuge zur Bildung eines Lagenpaketes gestapelt werden; und in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Faserhalbzeugen.
In der Fig. 1 ist vereinfacht ein Vorformling 1 gezeigt, der beispielsweise zur Herstellung eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug, wie etwa einem Kotflügel, etc. nach dem RTM- Verfahren (Resin Transfer Moulding) oder einem ähnlichen Verfahren verwendet wird. Der Vorformling 1 ist auf drei übereinandergestapelten, später beschriebenen Faserhalbzeug- Zuschnitten 3 aufgebaut, deren Kontur mit der Endkontur des nicht dargestellten
Kunststoffbauteils identisch ist.
Anhand der nachfolgenden Figuren 2 bis 4 ist die Herstellung des Vorformlings 1 erläutert: So ist in der Fig. 2 in einer Teilansicht eine Endlos-Trägerbahn 5 gezeigt. Die Endlos-Trägerbahn 5 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine biegeschlaffe Bahnware aus einem textiien Gitter. Die Endlos-Trägerbahn 5 gewährleistet eine Grundstruktur, auf der die Endlos-Verstärkungsfäden 7 parallel zur Förderrichtung F abgelegt und fixiert sind. Die Endlos-Verstärkungsfäden 7 sind dabei so angeordnet, dass sie in ihrer Gesamtheit Flächengebilde 9, 10, 1 1 ergeben, deren Kontur der Endkontur des herzustellenden Kunststoffbauteils entspricht. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, sind die einzelnen Flächengebilde 9, 10, 1 1 flächen- und konturgleich, jedoch in unterschiedlicher Ausrichtung auf der Endlos-Trägerbahn 5 positioniert, wodurch die Verstärkungsfasern 7 in unterschiedlicher Ausrichtung im jeweiligen
Flächengebilde 9, 10, 1 1 abgelegt und fixiert sind. Die Flächengebilde 9, 10, 1 1 sind in der Förderrichtung F betrachtet über Flächenausschnitte 13 ohne Endlos-Verstärkungsfäden 7 voneinander beabstandet. Zudem weist auch jedes der Flächengebilde 9 bis 1 1 weitere kreisförmige Flächenausschnitte 13 auf, die frei von Endlosverstärkungsfäden 7 sind.
Nach Erzeugung der Flächengebilde 9 bis 1 1 auf der Endlos-Trägerbahn 5 erfolgt ein
Zuschneiden, bei dem die Flächengebilde 9 bis 1 1 als Faserhalbzeug-Zuschnitte 3 aus der Endlos-Trägerbahn 5 geschnitten werden. In der Fig. 2 sind die Zuschnittkanten 15 mit durchgezogenen Linien angedeutet. Die nach dem Zuschneiden verbleibenden
Verschnittflächenanteile 17 werden als aterialausschuss aus dem Prozesskreislauf abgeführt. Die Zuschnittkanten 15 der Faser-Halbzeug-Zuschnitte 3 verlaufen entlang der Konturkanten der Flächengebilde 9, 10, 1 1 , wodurch sich im Verschnittflächenanteil 17 ausschließlich das textile Gitter der Endlos-Trägerbahn 5 wiederfindet, nicht jedoch die Endlos-Verstärkungsfäden 7.
Die so erhaltenen Faserhalbzeug-Zuschnitte 3 werden in der Fig. 3, insbesondere unter Zwischenlage eines Binders, in ein Formwerkzeug 19 zu einem Lagenpaket
übereinandergestapelt. In dem Lagenpaket weisen die übereinandergestapelten Faser- Halbzeuge 3 unterschiedliche Verstärkungsfaser-Orientierungen auf.
Anschließend wird unter Druck und Wärme das noch lose im Formwerkzeug 19 angeordnete Lagenpaket verfestigt und gegebenenfalls dreidimensional vorgeformt. Der so gebildete Vorformling 1 ist in der Fig. 1 gezeigt. Nach der Druck- und Wärmebeaufschlagung weist der Vorformling 1 eine ausreichend große Bauteilstabilität auf, die einen prozesssicheren
Weitertransport in die Formkammer eines nicht dargestellten RTM-Werkzeugs gewährleistet. In der Formkammer des RTM-Werkzeugs wird der Vorformling 1 als ein Einlegerteil eingelegt. Anschließend wird in an sich bekannter Weise eine flüssige Ausgangskomponente des
Matrixwerkstoffes unter Druck und Wärme in die Formkammer eingespritzt. Nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann dann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem RTM-Werkzeug entnommen werden.
In der Fig. 4 ist eine Vorrichtung zur Herstellung der Faserhalbzeug-Zuschnitte 3 schematisch angedeutet. Demzufolge wird die Träger-Endlosbahn 5 in der Fertigungsrichtung F mit einer kontinuierlichen Fördergeschwindigkeit in der Förderrichtung F gefördert, und zwar über eine Förderstrecke zwischen einer nicht dargestellten Abwickelrolle bis zu einer Aufwickelrolle. In der Förderrichtung F hintereinandergeschaltet sind über die Förderstrecke verteilt eine erste Ablagestation 27 und eine zweite Ablagestation 25 grob schematisch angedeutet, über die jeweils Verstärkungsfäden 7 auf der Endlos-Trägerbahn 5 ablegbar sind. Jeder der beiden Ablagestationen 25, 27 weist eine Reihe von quer über die Endlos-Trägerbahn 5 sowie koaxial zueinander angeordnete Scheibenspulen 29 auf, auf denen jeweils die Endlos- Verstärkungsfäden 7 aufgewickelt sind. Diese werden über ein Rollensystem 31 mit einer vorgegebenen Ablagegeschwindigkeit auf die Endlos-Trägerbahn 5 abgelegt. Die
Ablagegeschwindigkeit ist dabei in etwa identisch mit der Fördergeschwindigkeit der Endlos- Trägerbahn 5. Den Scheibenspulen 29 vorgelagert ist eine Schneidstation 33 sowie ein
Nähwerk 35. In der Förderrichtung F nach der zweiten Ablagestation 27 folgt eine nicht dargestellte Zuschnittstation, in der die Flächengebilde 9, 10, 1 1 entlang der Zuschnittkanten 15 aus der Endlos-Trägerbahn 5 ausgeschnitten werden.
Zur Bildung der oben erwähnten Flächenausschnitte 13 ohne die Endlos-Verstärkungsfäden 7 wird der jeweilige, von der Scheibenspule 29 abgewickelte Endlos- Verstärkungsfaden 7 an einer vordefinierten Position P1 (beispielhaft in der Fig. 2 gezeigt) für eine Fadenablage- Unterbrechung von der Schneidstation 33 abgelängt. Gleichzeitig wird die Zuführung des abgelängten Endlos- Verstärkungsfaden 7 unterbrochen, und zwar unter Weiterförderung der Endlos-Trägerbahn 5 mit der Fördergeschwindigkeit. An einer vordefinierten, in der
Förderrichtung F nacheilenden Position P2 (beispielhaft in der Fig. 2 gezeigt) erfolgt dann eine Faden-Wiederablage, bei der der unterbrochene Endlos- Verstärkungsfaden 7 wieder auf die Endlos-Trägerbahn 5 abgelegt und fixiert wird.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem ein
Vorformling (1 ) aus zumindest einem Faserhalbzeug (3) bereitgestellt wird und bei dem Endlos- Verstärkungsfäden (7) auf einer in einer Förderrichtung (F) kontinuierlich geförderten Endlos-Trägerbahn (5) parallel zur Förderrichtung (F) abgelegt und fixiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlos- Verstärkungsfäden (7) derart auf der Endlos-Trägerbahn (5) abgelegt und fixiert werden, dass sich ein Flächengebilde (9, 10, 1 1 ) ergibt, dessen Kontur der Endkontur des Kunststoffbauteils entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines
Flächenausschnittes (13) ohne Endlos-Verstärkungsfäden (7) der jeweilige
Verstärkungsendlosfaden (7) an einer vordefinierten Position (P1 ) für eine Fadenablage- Unterbrechung abgelängt wird, und an einer vordefinierten, in der Förderrichtung (F) nacheilenden Position (P2) für eine Faden-Wiederablage wieder auf der Endlos- Trägerbahn (5) abgelegt und fixiert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlos-Verstärkungsfäden (7) durch maschenbildende Fadensysteme (5) fixiert werden, oder dass die Endlos-Verstärkungsfäden (7) durch gezielte, lokale oder vollständig umschließende thermische Einbettung oder Verklebung in der Endlos- Trägerbahn (5) stoffschlüssig fixiert werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Anpassung des Flächengewichts des Faserhalbzeugs (3) Endlos-Verstärkungsfäden (7) mit unterschiedlichen Faserdurchmessern verwendet werden, und/oder dass die Endlos-Verstärkungsfäden (7) vor dem Ablegen auf der Endlos-Trägerbahn (5) definiert gespreizt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung des Flächengebildes (9, 10, 1 1 ) ein Zuschneiden erfolgt, bei dem das Flächengebilde (9, 10, 1 1 ) als ein Zuschnitt aus der Endlos-Trägerbahn (5) geschnitten wird, und zwar unter Abführung eines verbleibenden Verschnittflächenanteils (17) als Materialausschuss, und dass insbesondere die Zuschnittkanten (15)
konturangepasst entlang des Randes des Flächengebildes (9, 10, 1 1 ) verlaufen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihe von Flächengebilden (9, 10, 1 1 ), insbesondere unter Zwischenlage eines Binders, zu einem Lagenpaket gestapelt wird, und dass insbesondere die
übereinandergestapelten Flächengebilde (9, 10, 1 1 ) unterschiedliche Verstärkungsfaden- Orientierungen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächengebilde (9, 10, 1 1 ) zur Bereitstellung unterschiedlicher Verstärkungsfaden-Orientierungen in
unterschiedlicher Ausrichtung auf der Endlos-Trägerbahn (5) abgelegt werden, und/oder dass das noch lose Lagenpaket unter Druck und Wärme verfestigt und vorgeformt wird, und insbesondere der so gebildet Vorformling (1 ) weiter in eine Formkammer eines I njektionswerkzeugs (19) eingelegt, und anschließend ein Matrixmaterial unter Wärme und Druck in die Formkammer injiziert und ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlos-Trägerbahn (5) ein textiies Vlies, ein textiies Gitter oder eine Folie ist, und/oder dass die Endlos-Trägerbahn (5) aus Thermoplast, etwa Polyamid oder Polypropylen, gefertigt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlos-Trägerbahn (5) ebenfalls Verstärkungsfäden (7) aufweist, etwa aus
Glasfasern, wodurch nach der Ablage der Endlos-Verstärkungsfäden eine zweischichtige Verstärkungsstruktur entsteht.
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