DE102013100861B4

DE102013100861B4 - Berührungsloses Preformen

Info

Publication number: DE102013100861B4
Application number: DE102013100861.5A
Authority: DE
Inventors: Dominik Delisle; Fabian Zacharias
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: DE102013100861A1

Abstract

Verfahren zum Preformen eines textilen Halbzeuges (5), das zumindest teilweise einen elektrischen Leiter aufweist, mit a) Bereitstellen einer elektrischen Energiequelle (6) und einer Magnetvorrichtung (4) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, b) Positionieren des textilen Halbzeuges (5) in dem durch die Magnetvorrichtung (4) erzeugten Magnetfeld und c) Erzeugen eines elektrischen Stromflusses (I) in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges (5) durch Anlegen einer elektrischen Spannung mittels der elektrischen Energiequelle (6), wobei das stromdurchflossene textile Halbzeug (5) mit dem Magnetfeld derart zusammenwirkt, dass eine Kraft (FL) auf das textile Halbzeug (5) zum Preformen des textilen Halbzeuges (5) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug (5) ein Bindermaterial aufweist das dazu vorgesehen ist, das in die Preform gebrachte textile Halbzeug vor dem eigentlichen vollständig durchgeführten Herstellungsprozess in seiner Form zu fixieren, wobei das textile Halbzeug (5) durch den erzeugten elektrischen Stromfluss (I) in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges (5) derart temperiert wird, dass das Bindermaterial in dem textilen Halbzeug (5) aktiviert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Preformen eines textilen Halbzeuges, das zumindest teilweise einen elektrischen Leiter aufweist.
Faserverbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer Eigenschaft, bei einem relativ geringen Gewicht eine hohe Steifigkeit aufzuweisen, aus vielen Anwendungsbereichen kaum mehr wegzudenken. Insbesondere kritische Strukturelemente im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit des Werkstoffes bei minimalem Gewicht, immer öfter aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt. Übergeordnetes Ziel hierbei ist es, durch eine höhere Fertigungsautomatisierung die Stückzahlen zu erhöhen und die Kosten für die Herstellung zu senken.
In der Regel werden bei der Herstellung von Faserverbundbauelementen zwei Herstellungsverfahren unterschieden, bei denen entweder trockene Halbzeuge mit einem Matrixharz getränkt und anschließend ausgehärtet werden oder bereits vorimprägnierte Halbzeuge (sogenannte Prepregs) in die gewünschte Bauteilform gebracht und dann ausgehärtet werden. in beiden Fällen muss jedoch das Halbzeug (trocken oder vorimprägniert) in eine Form gebracht werden, die der späteren Bauteilform zumindest teilweise entspricht.
Während dieses sogenannten Preformens, bei dem das Halbzeug in eine Form gebracht wird, die der späteren Bauteilform des herzustellenden Faserverbundbauteils zumindest teilweise entspricht, wird in der Regel auf das Halbzeug eine mechanische Kraft ausgeübt, die das Halbzeug in die vorgegebene Preform bringen soll. Während dieses Preformens wird das Faserhalbzeug häufig in einem Formwerkzeug drapiert, indem das Halbzeug formschlüssig auf die formgebende Oberfläche des Formwerkzeuges angepasst wird, wobei die Form des Formwerkzeuges letztlich der Form des herzustellenden Faserverbundbauelementes entspricht. Hierbei ist es notwendig, dass das Halbzeug vollständig an der formgebenden Oberfläche anliegt und dass Faserstauchungen bzw. Faserfaltungen in dem Halbzeug vermieden werden. Diese führen bei der späteren Herstellung des Faserverbundbauelementes häufig zu Fehlstellen in dem Bauteil.
Solche Faserstauchungen bzw. Faserfaltungen entstehen häufig dadurch, dass das flächige Halbzeug auf eine Oberfläche drapiert werden muss, die zwei- oder mehrfach gekrümmt ist.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2010 015 027 A1 eine Faser-Legevorrichtung bekannt, die an einem umlaufenden Schienensystem zwei Roboter hat, die jeweils einen Ablegekopf zum Ablegen von Faserhalbzeugen in einem Werkzeug aufweisen. Mit Hilfe der Roboter können die Faserhalbzeuge dabei frei in dem Werkzeug drapiert werden.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2012 111 950 A1 ist eine Drapiervorrichtung zum Drapieren von Halbzeugen auf formgebenden Oberflächenstrukturen bekannt, bei dem der Endeffektor einen Expansionskörper aufweist, der mit einer Flüssigkeit gefüllt werden kann, um so das Halbzeug nach dem Prinzip des Steigers auf der formgebenden Oberflächenstruktur drapieren zu können.
Durch die mechanischen Preformverfahren ergeben sich jedoch Nachteile, die insbesondere einer Automatisierung und Flexibilisierung des Herstellungsprozesses von Faserverbundbauelementen entgegenstehen. So sind bei mechanischen Preformverfahren die Endeffektoren, mit denen die Halbzeuge in das Formwerkzeug eingebracht und drapiert werden, meist an die entsprechende Form angepasst, was bei komplexen Formen zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Ablegeköpfen der Endeffektoren führt. Außerdem erzeugen die mechanischen Preformverfahren meist eine starke Belastung des Halbzeuges, was die Gefahr der Beschädigung der Faserhalbzeuge mit sich führt. Durch die oftmals noch vielen händischen Arbeitsschritte beim Preformen sind die Herstellungskosten von Faserverbundbauelementen meist nicht mit anderen klassischen Herstellungsverfahren vergleichbar und führen letztendlich zu den hohen Bauteilkosten.
Aus der DE 10 2011 004 098 A1 ist ein Werkzeug und ein Verfahren zur Verarbeitung oder Handhabung eines Fasergebildes für die Herstellung eines Faser-Kunststoffverbundes bekannt, wobei zum einen ein künstliches Magnetfeld erzeugt wird, in das das Faserhalbzeug positioniert wird, und zum anderen das in dem künstlichen Magnetfeld positionierte Faserhalbzeug bestromt wird, wodurch eine Kraftwirkung (Lorenzkraft) bewirkt wird, die zum Drapieren des Faserhalbzeuges in dem Formwerkzeug verwendet wird.
Aus der DE 10 2010 052 597 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Preformen von Faserhalbzeugen bekannt, bei denen das Faserhalbzeug in einem Magnetfeld positioniert wird, wobei zuvor entsprechende magnetische Zusatzfasern in dem Faserhalbzeug eingebracht wurden, so dass die magnetischen Zusatzfasern mit dem künstlichen Magnetfeld reagieren und eine Kraftwirkung bewirkt wird.
Aus der DE 10 2006 040 049 A1 ist schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung für Kohlenstofffaser-Halbzeuge bekannt, wobei die Faserhalbzeuge mit einem Bindermaterial imprägniert sind, so dass beim Durchsetzen des Faserhalbzeuges mit einem elektromagnetischen Wechselfeld Ströme in dem Faserhalbzeug induziert werden, die dann ein Bindermaterial aktivieren.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Preformverfahren anzugeben, mit dem die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermieden werden können. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Preformverfahren anzugeben, das auch bei unterschiedlichen Formen komplexer Bauteile flexibel anwendbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art und den Merkmalen des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß gelöst.
Demnach wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Preformen textiler Halbzeuge vorgeschlagen, bei dem zunächst eine elektrische Energiequelle und eine Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes bereitgestellt werden. Das textile Halbzeug, welches ein Material mit einem elektrischen Leiter enthält, wird sodann mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, so dass in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges ein elektrischer Stromfluss erzeugt wird, während sich das textile Halbzeug in dem von der Magnetvorrichtung erzeugten Magnetfeld befindet.
Durch den elektrischen Stromfluss in dem textilen Halbzeug und der daraus resultierenden Bewegung von Ladungsträgern in Verbindung mit dem das textile Halbzeug umgebende Magnetfeld wirkt auf das textile Halbzeug eine Kraft, die auch als Lorentzkraft bezeichnet wird. Hierdurch wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, die dann für das Preformen textiler Halbzeuge genutzt werden kann.
Der elektrische Leiter kann dabei integraler Bestandteil des textilen Halbzeuges sein, bspw. bei Faserhalbzeugen zum Herstellen von Faserverbundbauteilen. Dabei ist das textile Halbzeug selbst ein elektrischer Leiter. Der elektrische Leiter kann aber auch als zusätzliches Material in das textile Halbzeug eingebracht werden, um die Möglichkeit des berührungslosen Preformens zu schaffen. So ist es bspw. denkbar, dass dünne Metalldrähte in das textile Halbzeug eingeflochten werden.
Die auf das textile Halbzeug wirkende Kraft, die durch den elektrischen Stromfluss innerhalb eines umgebenden Magnetfeldes entsteht, führt zu einer Verformung des textilen Halbzeuges, was zum Preformen des textilen Halbzeuges genutzt werden kann. In Abhängigkeit von der Befestigung des textilen Halbzeuges, der elektrischen Stromstärke sowie der Steuerung des Magnetfeldes kann das textile Halbzeug berührungslos unter Ausnutzung der Lorentzkraft in eine vorgegebene Preform gebracht werden.
Die Magnetvorrichtung kann dabei einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten aufweisen, der mittels einer Steuereinrichtung zur Einstellung der Magnetfeldparameter ansteuerbar ist.
Das berührungslose Preformen hat hierbei den Vorteil, dass aufgrund fehlender mechanischer Belastungen die Gefahr von Beschädigungen des textilen Halbzeuges vermieden wird.
Darüber hinaus hat das berührungslose Preformen mit Lorentzkraft den entscheidenden Vorteil, dass ein möglicher Ablegekopf einer Ablegevorrichtung nicht mehr aufwendig an die gewünschte Form angepasst werden muss, was insbesondere bei komplexen Bauteilen mit verschiedenen Formen zeitaufwendig und kostenintensiv ist. Vielmehr reicht es nunmehr aus, dass der Endeffektor so universell ausgebildet ist, dass er die zum Preformen benötigte Lorentzkraft auf das textile Halbzeug wirken lässt.
So ist es beispielsweise besonders vorteilhaft, wenn bei einem bereitgestellten Formwerkzeug zur Bildung der vorgegebenen Preform des textilen Halbzeuges das textile Halbzeug an dem Formwerkzeug angelegt wird, wobei dann das stromdurchflossene textile Halbzeug mit dem erzeugten Magnetfeld derart zusammenwirkt, dass die Kraft auf das textile Halbzeug zum Drapieren des textilen Halbzeuges in oder auf dem Formwerkzeug wirkt. Das textile Halbzeug wird somit berührungslos mit Hilfe der einwirkenden Lorentzkraft in das Formwerkzeug zum Zwecke des Preformens drapiert.
Der Begriff des Drapierens ist dabei eine Spezialform des Preformens, nämlich des Preformens von textilen Halbzeugen in Formwerkzeugen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist es somit möglich, ohne Einwirken einer mechanischen Kraft auf das Faserhalbzeug dieses in ein Formwerkzeug, welches eine formgebende Oberflächenstruktur hat, formschlüssig zu drapieren. Anschließend kann das in das Formwerkzeug drapierte textile Halbzeug dem weiteren Herstellungsprozess unterzogen werden, beispielsweise durch Infiltration mit einem Matrixharz und Aushärten in einem Ofen.
Aufgrund der Tatsache, dass Faserhalbzeuge zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aufgrund ihrer Kohlenstoffverbindungen einen elektrischen Leiter als Material aufweisen, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für das Preformen von Faserhalbzeugen (trocken oder vorimprägniert) besonders gut. Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten im Bereich der Faserverbundwerkstoffe deutlich senken und die Produktionszyklen aufgrund der höheren Flexibilität deutlich steigern.
Darüber hinaus weist das textile Halbzeug ein Bindematerial auf, welches dafür vorgesehen ist, das in die Preform gebrachte textile Halbzeug vor dem eigentlichen vollständig durchgeführten Herstellungsprozess in seiner Form zu fixieren. In der Regel sind solche Bindematerialien (beispielsweise in Pulverform oder als Vlies) so ausgebildet, dass sie durch eine entsprechende Temperatur aktiviert werden, so dass das in die Preform gebrachte textile Halbzeug zumindest für den weiteren Herstellungsprozess in seiner Form fixiert ist.
Das textile Halbzeug wird nun mittels des erzeugten elektrischen Stromflusses in dem elektrischen Leiter derartig temperiert, dass das Bindematerial in dem textilen Halbzeug aktiviert wird. Durch Steuerung des erzeugten elektrischen Stromflusses durch das textile Halbzeug, beispielsweise durch Steuerung der angelegten elektrischen Spannung, kann eine Temperierung des textilen Halbzeuges erreicht werden, die dann zu einer Aktivierung des Bindematerials führt. In diesem Falle wirkt das textile Halbzeug mit ihrem elektrischen Leitermaterial in einer Art als Widerstandsheizung.
Hierdurch entsteht der Vorteil, dass der Herstellungsschritt des Preformens und der Herstellungsschritt der Aktivierung des Bindematerials in einem Schritt, nämlich in dem Preformschritt, zusammengefasst werden kann, was deutlich die Prozesszeiten verkürzt. So ist es besonders vorteilhaft, wenn gleich im Anschluss an das Preformen des textilen Halbzeuges beispielsweise durch Erhöhung der angelegten elektrischen Spannung das textile Halbzeug temperiert wird, so dass sich das Bindematerial aktiviert, so dass kurz nach dem Preformen des textilen Halbzeuges die fixierte Form vorliegt.
Vorteilhafterweise wird der elektrische Stromfluss in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges in Abhängigkeit von einer maximalen Bindertemperatur des Bindermaterials eingestellt, so dass bspw. eine zu hohe Temperatur nicht zu einer Beschädigung des Bindermaterials führt.
Um auch Preformen herstellen zu können, die über zweifach oder mehrfach gekrümmte Oberflächen verfügen, ist es besonders vorteilhaft, wenn während des Preformens der in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges erzeugte elektrische Stromfluss und/oder die Ausrichtung des Magnetfeldes gegenüber dem textilen Halbzeug und/oder die Stärke des Magnetfeldes variiert wird, so dass hierdurch die Höhe der Kraft und/oder die Kraftrichtung so verändert werden kann, dass die auf das textile Halbzeug wirkende Kraft das textile Halbzeug in die vorgegebene Preform bringt. Somit lassen sich auch komplexe Preformen herstellen. So kann bspw. durch Kopplung der Einstellung der Magnetfeldstärke und der Höhe des elektrischen Stromflusses die zum Preforming notwendige Kraft bereitgestellt werden, ohne dass die Maximaltemperatur des textilen Halbzeuges und/oder des Bindermaterials überschritten wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform lässt sich der in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges erzeugte elektrische Stromfluss und/oder die Ausrichtung des Magnetfeldes gegenüber dem textilen Halbzeug und/oder die Stärke des Magnetfeldes in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Preform des textilen Halbzeuges einstellen, so dass mit Hilfe dieser Einstellungsparameter des Preformprozesses gezielt die Form des textilen Halbzeuges beeinflusst werden kann. Durch Beeinflussung dieser Prozessparameter beim Preformen lässt sich somit die vorgegebene Preform des textilen Halbzeuges herstellen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 – schematische Darstellung eines Formwerkzeuges zur Herstellung eines Stringerprofils;
2a, 2b – schematische Darstellung des Preformens mittels des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt schematisch ein Formwerkzeug 1, das eine formgebende Oberflächenstruktur 2 zur Herstellung eines L-förmigen Faserverbundbauelementes aufweist.
Im Ausführungsbeispiel der 1 weist das Formwerkzeug 1 im Bereich des Profilwinkels 3 einen Magneten auf, der im vorderen Bereich den Nordpol (N) und im hinteren Bereich den Südpol (S) aufweist.
Bei der Magnetvorrichtung 4 im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es sich beispielsweise um einen Permanentmagneten handeln oder um einen Elektromagneten, der mit Hilfe einer Steuereinheit entsprechend zum Erzeugen des Magnetfeldes ansteuerbar ist.
In der schematischen Darstellung der 2a und 2b wird das Wirkprinzip des berührungslosen Preformens gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. In 2a wird an dem Formwerkzeug 1, das beispielsweise ein Formwerkzeug gemäß der 1 sein kann, ein textiles Halbzeug 5 angelegt. Das textile Halbzeug 5 kann beispielsweise ein Faserhalbzeug sein. An den beiden Enden des textilen Halbzeuges 5 wurde eine elektrische Energiequelle 6 kontaktiert, so dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrischer Stromfluss I durch das textile Halbzeug fließt.
Ist in dem Formwerkzeug 1 ein Magnet gemäß der Polausrichtung in der 1 vorgesehen, so wirkt auf das textile Halbzeug 5 eine Kraft F_L (Lorentzkraft) in Richtung des Profilknickes 3 des Formwerkzeuges 1, so dass das textile Halbzeug 5 in das Formwerkzeug gedrückt wird.
Dies ist schematisch in der 2b dargestellt. Durch die aufgrund des Magnetfeldes und Stromdurchflusses wirkende Lorentzkraft F_L wurde das textile Halbzeug 5 in die formgebende Oberflächenstruktur des Formwerkzeuges 1 gedrückt, so dass ein Preformen des textilen Halbzeuges 5 stattgefunden hat. Das textile Halbzeug 5 wurde in das Formwerkzeug berührungslos drapiert.
Bezugszeichenliste

1: Formwerkzeug
2: Formgebende Oberflächenstruktur
3: Profilknick
4: Magnetvorrichtung
5: Textiles Halbzeug
6: Elektrische Energiequelle
I: Technischer Stromfluss
F_L: Lorentzkraft

Claims

Verfahren zum Preformen eines textilen Halbzeuges (5), das zumindest teilweise einen elektrischen Leiter aufweist, mit a) Bereitstellen einer elektrischen Energiequelle (6) und einer Magnetvorrichtung (4) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, b) Positionieren des textilen Halbzeuges (5) in dem durch die Magnetvorrichtung (4) erzeugten Magnetfeld und c) Erzeugen eines elektrischen Stromflusses (I) in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges (5) durch Anlegen einer elektrischen Spannung mittels der elektrischen Energiequelle (6), wobei das stromdurchflossene textile Halbzeug (5) mit dem Magnetfeld derart zusammenwirkt, dass eine Kraft (F_L) auf das textile Halbzeug (5) zum Preformen des textilen Halbzeuges (5) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug (5) ein Bindermaterial aufweist das dazu vorgesehen ist, das in die Preform gebrachte textile Halbzeug vor dem eigentlichen vollständig durchgeführten Herstellungsprozess in seiner Form zu fixieren, wobei das textile Halbzeug (5) durch den erzeugten elektrischen Stromfluss (I) in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges (5) derart temperiert wird, dass das Bindermaterial in dem textilen Halbzeug (5) aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bereitstellen eines Formwerkzeuges (1) zur Bildung einer vorgegebenen Preform des textilen Halbzeuges (5), wobei das stromdurchflossene textile Halbzeug (5) mit dem Magnetfeld derart zusammenwirkt, dass eine Kraft (F_L) auf das textile Halbzeug (5) zum Drapieren des textilen Halbzeuges (5) in dem Formwerkzeug (1) wirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindermaterial vor der Erzeugung des Stromflusses in das textile Halbzeug (5) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Variieren des in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges erzeugten elektrischen Stromflusses (I) und/oder der Ausrichtung des Magnetfeldes gegenüber dem textilen Halbzeug und/oder der Stärke des Magnetfeldes derart, dass durch die auf das textile Halbzeug (5) wirkende Kraft (F_L) das textile Halbzeug (5) in die vorgegebene Preform gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einstellen des in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges erzeugten elektrischen Stromflusses und/oder der Ausrichtung des Magnetfeldes gegenüber dem textilen Halbzeug und/oder der Stärke des Magnetfeldes in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Preform des textilen Halbzeuges.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einstellen des in dem elektrischen Leiter des textilen Halbzeuges erzeugten elektrischen Stromflusses und/oder der Ausrichtung des Magnetfeldes gegenüber dem textilen Halbzeug und/oder der Stärke des Magnetfeldes in Abhängigkeit von einer maximal zulässigen Temperatur des textilen Halbzeuges und/oder des Bindermaterials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Halbzeug ein Faserhalbzeug ist.