DE102012109671B4

DE102012109671B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Fertigung einer Vorform

Info

Publication number: DE102012109671B4
Application number: DE102012109671.6A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Rieber
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Leibniz Institut Fuer Verbundwerkstoffe De GmbH
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2032-10-12
Also published as: DE102012109671A1

Abstract

Vorrichtung zur Fertigung einer Vorform (13) für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil (14), die ein zumindest zweiteiliges Formwerkzeug (12) mit einem Unterteil (11) und einem Oberteil (15) umfasst, wobei das stationäre Unterteil (11) zur Auflage eines Bindermaterial aufweisenden Verstärkungstextils (2) und das relativ zu dem Unterteil (11) bewegbare Oberteil (15) zum Pressen des Verstärkungstextils (2) in die dreidimensionale Vorform (13) dient, dadurch gekennzeichnet, dass ein Förderband (8) mit dem aufgelegten Verstärkungstextil (2) zwischen dem Unterteil (11) und dem Oberteil (15) derart verläuft, dass das Unterteil (11) unter einem Obertrum (9) des Förderbandes (8) angeordnet ist, wobei dessen Untertrum (10) unterhalb des Unterteils (11) verläuft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Fertigung einer Vorform für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, die ein zumindest zweiteiliges Formwerkzeug mit einem Unterteil und einem Oberteil umfasst, wobei das stationäre Unterteil zur Auflage eines Bindermaterial aufweisenden Verstärkungstextils und das relativ zu dem Unterteil bewegbare Oberteil zum Pressen des Verstärkungstextils in die dreidimensionale Vorform dient und ein Verfahren dazu.
Die EP 0 128 638 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines laminierten Bauteils, das aus zwei Decklagen und einer zwischen den Decklagen aufgenommenen Zwischenlage besteht. Die Lagen werden zwischen einem Unterteil und einem Oberteil eines Formwerkzeuges gepresst. Zur Förderung des Bauteils sind Ketten oder Bänder vorgesehen, die außerhalb des Formwerkzeugs verlaufen und Dornen oder Nadeln aufweisen, die die über die Zwischenlage randseitig vorstehenden Decklagen durchdringen.
Aus der Praxis ist es bekannt mehrere Lagen eines mit einem Bindermaterial versehenen Verstärkungstextils, insbesondere Gewebes, übereinander zu schichten, das Verstärkungstextil mit einem Vakuum auf einer Unterlage zu fixieren und mit einem Mehrlagencutter in die gewünschte Form zu schneiden. Der Verschnitt, also das nicht benötigte Restmaterial, wird durch einen Greifer beseitigt und das Verstärkungstextil mittels eines Transportbandes weiter befördert. Anschließend wird das Bindermaterial erwärmt, also plastifiziert, und das Verstärkungstextil mit einem Handhabungsgerät in ein Formwerkzeug gelegt, um eine Vorform – oder Preform – zu fertigen, die nach dem Abkühlen dem Formwerkzeug mit dem Handhabungsgerät wieder entnommen und anschließend einem Werkzeug zugeführt wird, in dem die Vorform mit Matrixmaterial infiltriert und die endgültige Bauteilgeometrie gefertigt wird. Bei der Fertigung eines solchen faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer komplexen dreidimensionalen Geometrie ist die Herstellung der Vorform insofern problematisch, als die unterschiedlichen Handhabungsschritte zeitintensiv sind und daher zu einer insgesamt langen Zykluszeit führen.
Die DE 10 2004 007 313 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines mit Endlosfasern verstärkten Polymer-Formteils. Die mit einem zumindest teilweise plastifizierten Polymer imprägnierten Endlosfasern werden mittels einer Handhabungseinrichtung derart auf einer Hilfsform angeordnet, dass die flächige oder räumliche Orientierung der Endlosfasern im Wesentlichen der in dem Polymer-Formteil vorgesehenen Orientierung der Endlosfasern entspricht, wobei die orientierten Endlosfasern mittels der Hilfsform in ein zumindest zweiteiliges offenes Formwerkzeug überführt und dort abgelegt werden. Anschließend wird das Formwerkzeug geschlossen und die imprägnierten Endlosfasern werden zu dem Polymer-Formteil verpresst, gegebenenfalls unter Zugabe eines Polymers. Anschließend wird das Polymer-Formteil gekühlt und dem Formwerkzeug entnommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die bzw. das den Ablauf bei der Herstellung einer Vorform vereinfachen und die Fertigungszeit bei einer hohen Prozesssicherheit verkürzen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.
Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Eine Vorrichtung zur Fertigung einer Vorform für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, umfasst ein zumindest zweiteiliges Formwerkzeug mit einem Unterteil und einem Oberteil, wobei das stationäre Unterteil zur Auflage eines Bindermaterial aufweisenden Verstärkungstextils und das relativ zu dem Unterteil bewegbare Oberteil zum Pressen des Verstärkungstextils in die dreidimensionale Vorform dient. Ein Förderband mit dem aufgelegten Verstärkungstextil verläuft zwischen dem Unterteil und dem Oberteil derart, dass das Unterteil unter einem Obertrum des Förderbandes angeordnet ist, wobei dessen Untertrum unterhalb des Unterteils verläuft.
Das zur Vorform zu pressende Verstärkungstextil, das beispielsweise ein Gewebe, Gelege oder Vlies sein und selbstverständlich auch mehrere Einzellagen umfassen kann, bleibt während des Pressens in dem Formwerkzeug auf dem Förderband, weshalb die Fertigungszeit aufgrund entfallender Handhabungsvorgänge wesentlich reduziert ist. Wenn das Förderband hinreichend dünn und/oder elastisch ausgebildet ist, wirkt es sich bei der Ausformung einer komplexen dreidimensionalen Geometrie der Vorform nicht negativ aus. Beim Öffnen des Formwerkzeuges, also dem Entfernen des Oberteils von dem Unterteil, wird die im Formwerkzeug abgekühlte Vorform aufgrund der Spannung des Förderbandes entformt und kann durch das Förderband transportiert werden. Beispielsweise kann das Formwerkzeug mit dem Förderband während des Pressens transportiert werden.
Selbstverständlich kann das Unterteil des Formwerkzeuges breiter als das Förderband bemessen sein und das Untertrum des Förderbandes zwischen unterseitigen Werkzeugauflagen verlaufen. Alternativ ist eine seitliche Aufhängung des Unterteils des Formwerkzeuges denkbar.
Damit das Förderband mit dem aufliegenden Verstärkungstextil beim Zusammenfahren des Formwerkzeuges zum Ausformen der Vorform die Geometrie des Formwerkzeuges annehmen kann, ist vorzugsweise das Förderband entweder elastisch ausgebildet und/oder über mindestens eine elastisch vorgespannte Umlenkrolle geführt.
In Ausgestaltung umfasst das Förderband mehrere parallel nebeneinander angeordnete Bänder. Die Bänder können zueinander beabstandet in solchen Bereichen angeordnet sein, in denen sie sich wenig störend auf die Fertigung der Vorform auswirken. Für die Bänder kann ein gemeinsamer Antrieb vorgesehen sein, es sind aber auch separate Antriebe möglich, die beispielsweise synchronisiert sind. Auch ist es denkbar, die Bänder miteinander zu verbinden, sodass ein grobmaschiges Netz als Förderband vorliegt.
Zweckmäßigerweise ist vor dem Formwerkzeug eine Heizeinrichtung, insbesondere mit einem Infrarot-Strahler, zum Erwärmen des Bindermaterials angeordnet. Nach einer Weiterbildung ist der Heizeinrichtung ein Transportband zur Beförderung des Verstärkungstextils mit dem plastifizierten Bindermaterial auf das Förderband zugeordnet.
Bei einem Verfahren zur Fertigung einer Vorform für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, insbesondere mit einer zuvor erläuterten Vorrichtung, wird ein Verstärkungstextil mit Bindermaterial auf einem Förderband in ein mindestens ein stationäres Unterteil und ein bewegliches Oberteil umfassendes Formwerkzeug transportiert, das zum Ausformen der dreidimensionalen Vorform geschlossen und anschließend geöffnet wird, wobei der Obertrum des Förderbandes zwischen dem Oberteil und dem Unterteil und der Untertrum unterhalb des Unterteils verläuft.
Zum Transport ist kein Handhabungsgerät im Sinne eines Roboters erforderlich, vielmehr erfolgt der Transport des Verstärkungstextils ausschließlich mit dem Förderband, auf dem das Verstärkungstextil auch beim Ausformen einer verhältnismäßig komplexen dreidimensionalen Geometrie verbleibt und als Preform zu folgenden Verarbeitungsstationen befördert wird.
Zweckmäßigerweise wird das Förderband während des Ausformens der Vorform angehalten und vorzugsweise entspannt. Bei einer ausreichend großen Elastizität des Förderbandes ist ein Entspannen nicht erforderlich, vielmehr nimmt das Förderband in dem geschlossenen Formwerkzeug dessen Kontur an und wirkt sich nicht nachteilig auf den Herstellungsprozess aus.
In weiterer Ausgestaltung wird das Verstärkungstextil mittels eines ersten Transportbandes von einem Mehrlagencutter zu einem zweiten Transportband einer Heizeinrichtung zur Plastifizierung des Bindermaterials transportiert und anschließend von dem zweiten Transportband auf das Förderband verlagert. Dem ersten Transportband kann eine Vakuumeinrichtung zugeordnet sein, um das, in der Regel in mehreren Lagen geschichtete, Verstärkungstextil beim Zuschneiden zu fixieren. Im Bereich der beispielsweise als Infrarotheizung ausgeführten Heizeinrichtung kann ein temperaturbeständiges zweites Transportband vorgesehen sein. Die Übergänge zwischen den Transportbändern und dem Förderband sowie deren Geschwindigkeiten sind derart gestaltet, dass das Verstärkungstextil einfach weitergeleitet wird, ohne dass ein Handhabungsschritt, weder durch Personal noch durch einen Automaten, auszuführen ist.
Die problemlos handhabbare abgekühlte Vorform wird vorteilhafterweise von einem Greifer erfasst und zur Fertigung des Bauteils durch Infiltration des Verstärkungstextils mit Matrixmaterial in ein die Endkontur bestimmendes Werkzeug gelegt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Die einzige Fig. der Zeichnung zeigt schematische Darstellungen einzelner Komponenten der Vorrichtung nach der Erfindung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Vorrichtung umfasst einen Mehrlagencutter 1, der mehrere Lagen eines Verstärkungstextils 2 entsprechend der bauteilgerechten Anforderungen beschneidet. Das mit einem Bindermaterial versehene Verstärkungstextil 2 befindet sich auf einem ersten Transportband 3, und wird mit einem Unterdruck fixiert. Mittels eines Handhabungsgerätes 4 werden Abschnitte des Verstärkungstextils 2 entfernt. Wenn das Verstärkungstextil 2 beschnitten ist, wird es von dem ersten Transportband 3 zu einem zweiten Transportband 5 befördert, das einer als Infrarotstrahler 6 ausgebildeten Heizeinrichtung 7 zur Plastifizierung des Bindermaterials zugeordnet ist. Von dem zweiten Transportband 5 gelangt das Verstärkungstextil 2 auf ein aus einem elastischen Material bestehendes Förderband 8 mit einem Obertrum 9 und einem Untertrum 10, zwischen denen ein Unterteil 11 eines zumindest zweiteiligen Formwerkzeuges 12 zur Fertigung einer Vorform 13 für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 14 angeordnet ist. Relativ zu dem Unterteil 11 bewegbar ist ein Oberteil 15 angeordnet, wobei die Geometrie der Vorform durch 13 in dem geschlossenen Formwerkzeug 12 durch das Verstärkungstextil 2 abgebildet wird.
Beim Pressen des Verstärkungstextils 2 in die dreidimensionale Form der Vorform 13 des Kunststoffbauteils 14 bleibt das Verstärkungstextil 2 auf dem Obertrum 9 des Förderbandes 8 liegen. Selbstverständlich steht das Förderband 8 während des Pressvorganges still. Sollte das elastische Umformvermögen des Förderbandes 8 nicht ausreichend sein, um der Geometrie des Formwerkzeuges 12 zu folgen, ist es selbstverständlich möglich, mindestens eine dem Förderband 8 zugeordnete Umlenkrolle 16 zu verstellen, um das Förderband zu entspannen. Beim Pressen des mit dem plastifizierten Bindermaterial behafteten Verstärkungstextils 2 zu der Vorform 13 wird das Bindermaterial in dem Formwerkzeug 12 abgekühlt und nach dem Öffnen des Formwerkzeuges 12, also dem Entfernen des Oberteils 15 von dem Unterteil 11, ist die Vorform – auch Preform genannt – handhabbar. Durch die elastische Rückstellung des Förderbandes 8, gegebenenfalls unterstützt von der durch die Umlenkrolle 16 erzeugten Vorspannung, wird die Entformung der Vorform, also deren Abheben von dem Unterteil 11, unterstützt. Nachdem das Förderband 8 die Vorform 13 aus dem unmittelbaren Bereich des Formwerkzeuges 12 auf ein drittes Transportband 17 transportiert hat, wird die abgekühlte Vorform 13 von einem Greifer 18 erfasst und zur Fertigung des Kunststoffbauteils 14 durch Infiltration des Verstärkungstextils 2 der Vorform 13 mit einem Matrixmaterial in ein die Endkontur bestimmendes Werkzeug 19 gelegt.
Durch das vorbeschriebene Verfahren ist eine kontinuierliche Fertigung von Preforms mit komplexen dreidimensionalen Geometrien möglich.
Bezugszeichenliste

1: Mehrlagencutter
2: Verstärkungstextil
3: erstes Transportband
4: Handhabungsgerät
5: zweites Transportband
6: Infrarotstrahler
7: Heizeinrichtung
8: Förderband
9: Obertrum
10: Untertrum
11: Unterteil
12: Formwerkzeug
13: Vorform
14: Kunststoffbauteil
15: Oberteil
16: Umlenkrolle
17: drittes Transportband
18: Greifer
19: Werkzeug

Claims

Vorrichtung zur Fertigung einer Vorform (13) für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil (14), die ein zumindest zweiteiliges Formwerkzeug (12) mit einem Unterteil (11) und einem Oberteil (15) umfasst, wobei das stationäre Unterteil (11) zur Auflage eines Bindermaterial aufweisenden Verstärkungstextils (2) und das relativ zu dem Unterteil (11) bewegbare Oberteil (15) zum Pressen des Verstärkungstextils (2) in die dreidimensionale Vorform (13) dient, dadurch gekennzeichnet, dass ein Förderband (8) mit dem aufgelegten Verstärkungstextil (2) zwischen dem Unterteil (11) und dem Oberteil (15) derart verläuft, dass das Unterteil (11) unter einem Obertrum (9) des Förderbandes (8) angeordnet ist, wobei dessen Untertrum (10) unterhalb des Unterteils (11) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderband (8) entweder elastisch ausgebildet und/oder über mindestens eine elastisch vorgespannte Umlenkrolle (16) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderband (8) mehrere parallel nebeneinander angeordnete Bänder umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Bändern ein gemeinsamer Antrieb oder jedem Band ein separater Antrieb zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Formwerkzeug (12) eine Heizeinrichtung (7), insbesondere mit einem Infrarot-Strahler, zum Erwärmen des Bindermaterials angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizeinrichtung (7) ein Transportband (5) zur Beförderung des Verstärkungstextils (2) mit dem plastifizierten Bindermaterial auf das Förderband (8) zugeordnet ist.
Verfahren zur Fertigung einer Vorform (13) für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil (14), insbesondere mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Verstärkungstextil (2) mit Bindermaterial auf einem Förderband (8) in ein mindestens ein stationäres Unterteil (11) und ein bewegbares Oberteil (15) umfassendes Formwerkzeug (12) transportiert wird, das zum Ausformen der dreidimensionalen Vorform (13) geschlossen und anschließend geöffnet wird, wobei der Obertrum (9) des Förderbandes (8) zwischen dem Oberteil (15) und dem Unterteil (11) und der Untertrum (10) unterhalb des Unterteils (11) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderband (8) während des Ausformens der Vorform (13) angehalten und vorzugsweise entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungstextil (2) mittels eines ersten Transportbandes (3) von einem Mehrlagencutter (1) zu einem zweiten Transportband (5) einer Heizeinrichtung (7) zur Plastifizierung des Bindermaterials transportiert und anschließend von dem zweiten Transportband (5) auf das Förderband (8) verlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die abgekühlte Vorform (13) von einem Greifer (18) erfasst und zur Fertigung des Kunststoffbauteils (14) durch Infiltration des Verstärkungstextils (2) mit Matrixmaterial in ein die Endkontur bestimmendes Werkzeug (19) gelegt wird.