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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von endkonturnahen, dreidimensionalen Vorformlingen, sowie ein Vorformteil, welches gemäß Verfahren und mittels der vorgestellten Vorrichtung herstellbar ist.
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Im Rahmen der Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffhalbzeugen sind bereits verschiedenste Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt und werden in der Praxis auch bereits eingesetzt. Unter vielen anderen Verfahren ist beispielsweise das Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (kurz auch als RTM-Verfahren bezeichnet) für Verbundwerkstoffe mit reaktiven, duroplastischen Harzen oder Elastomeren bereits bekannt. Allgemein sind dabei viele Arbeitsschritte bei den verschiedenen Verfahren ähnlich. Bis zur finalen Herstellung eines strukturellen Faserverbund-Kunststoffbauteils werden mehrere Prozessschritte durchlaufen. Das Bereitstellen von Faserhalbzeugen stellt den Gegenstand des ersten Verfahrensschritts dar. Hierbei werden üblicherweise Fasergewebe oder -gelege mit Hilfe eines Bindemittels oder in Form eines Halbzeugs mit thermoplastischer Matrix zu einem zweidimensionalen Faserhalbzeug zusammengefügt. Für harzaushärtende Bauteile werden im zweiten Prozessschritt die zweidimensionalen Faserhalbzeuge unter Druck endkonturnah umgeformt und gleichzeitig durch das Aktivieren des Bindemittels ausgehärtet. In diesem in der Regel als RTM-Verfahren bezeichneten Verfahren werden die endkonturnahen Faserhalbzeuge zunächst in das Formwerkzeug einer Presse eingelegt und meist unter Vakuum einem Harzinjektionsprozess ausgesetzt, dies ist somit ein urformendes Verfahren. Nach dem Aushärten des Harzes können die erzeugten Strukturbauteile entnommen werden. Für thermoplastische Matrixsysteme werden in der Regel zuvor hergestellte thermoplastische FVK-Halbzeuge (FVK-Halbzeuge = Faserverbund-Kunststoff-Halbzeuge), zum Beispiel vorkonsolidierte Tapebleche oder Organobleche wiedererwärmt und durch einen Greifer formlabil in ein Formwerkzeug eingelegt. In diesem erfolgt die Konsolidierung und Ausformung (=Thermoformen) zu einer 3-dimensionalen Geometrie. Faserverbundhalbzeuge sind im formstabilen Zustand schwer handhab- und drapierbar. Hierfür müssen diese thermoplastischen Halbzeuge im erwärmten Zustand auf der Kontur eines Formwerkzeuges abgelegt werden (gegebenenfalls auch im gespannten Zustand), um diese in einem zweiten Prozessschritt zu formen. Für diese komplexe Transport- und Drapieroperation sind häufig aufwendig Greifer erforderlich.
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Tapes werden daher in der Regel Abschnittsweise durch Tapelegen aufeinander gelegt und geheftet, um einen konturnahen Zuschnitt (i.d.R. 2D, aber es gibt auch schon 3D Varianten) herzustellen, der dann im dritten Schritt geformt wird. Beim Tapelegen müssen die einzelnen Tapelagen miteinander, zumindest lokal, verbunden werden (=heften, um ein Rutschen zu verhindern). Im Stand der Technik werden dabei vorwiegend Verfahren beschrieben, mit denen zunächst ebene, zweidimensionale Kunststoffhalbzeuge hergestellt werden können. Auch sind erste Ansätze von 3D - Tapelegeverfahren bekannt.
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Die dreidimensionale Herstellung von Bauteilen aus vorkonsolidierten thermoplastischen FVK-Halbzeugen (beispielsweise Organoblechen) beziehungsweise Vorprodukten aus thermoplastischem Tape ist häufig sehr komplex und aufwendig. Grundsätzlich kann der Thermoformprozess auch kombiniert mit einem Spritzgießprozess (Overmoulding) ablaufen. Werden beide Verfahrensschritte in einem Prozess kombiniert spricht man von 1-Shot-Verfahren, laufen sie nacheinander ab von 2-Shot-Verfahren. Die Drapiereigenschaften der Halbzeuge lassen zum Beispiel die Herstellung von kastenförmigen Strukturen, wie Batterieboxen, nicht oder nur mit besonderen Maßnahmen zu. Dies begründet sich insbesondere in großen Ausformtiefen und komplexen Elementen wie dem Abgastunnel, etc. Zusätzlich wird für diesen Vorformungsschritt gegebenenfalls ein weiteres Werkzeug, wenn ein 2-Shot-Verfahren genutzt werden soll (beispielsweise als Formwerkzeug notwendig).
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Aus der Druckschrift
DE 10 2010 054 934 A1 sind Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen komplex-dreidimensional geformter faserverstärkter Preforms als bekannt zu entnehmen. Insbesondere werden Vorrichtungen zum Herstellen einer komplex-dreidimensional geformten faserverstärkten Preform aus einer zwei-dimensionalen flächigen Faseranordnung offenbart. Die Vorrichtungen umfassen ein Formwerkzeug mit einer Formkontur, welche die komplexdreidimensionale Form der Preform abbildet und eine automatisiert führbare Handhabungsvorrichtung für die Faseranordnung, die mittels der Handhabungsvorrichtung über der Formkontur in dem Formwerkzeug positionierbar ist. Ferner weist eine Vorrichtung Schüttgut und eine Schüttgut-Zufuhreinrichtung mit einer Auslassöffnung auf, die mittels einer die Zufuhreinrichtung steuernden Führungseinrichtung über der zweidimensionalen flächigen Faseranordnung zu deren Befüllung positionierbar ist, wobei die in dem Formwerkzeug angeordnete Faseranordnung mit dem Schüttgut ausgehend von einem tiefsten Punkt der Formkontur stetig ansteigend befüllbar ist. Ferner weist eine Vorrichtung eine formflexible Schüttgutmatte auf und umfasst eine Schüttgutmatten-Zufuhreinrichtung, die mittels einer die Zufuhreinrichtung steuernden Führungseinrichtung über der zweidimensionalen flächigen Faseranordnung positionierbar ist. Die Zufuhreinrichtung umfasst Mittel zum Greifen der Schüttgutmatte. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung entsprechende Verfahren zum Herstellen einer komplex-dreidimensional geformten faserverstärkten Preform mittels der Vorrichtungen.
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Zudem ist aus der Druckschrift
DE 10 2010 062 978 A1 ein elektromagnetisches Umformen und/oder Schneiden mit aufgeklebten Treibblech als bekannt zu entnehmen. Das Verfahren beinhaltet das Anbringen eines Antriebsblatts am Formgebungs- /Schneidebereich eines Blattmaterials. Eine Spule, die eine magnetische Kompressionskraft auf den Formungs-/Schneidebereich ausübt, ist auf dem Antriebsblatt vorgesehen, um das Blattmaterial zu formen/zu schneiden. Die Antriebsplatte besteht aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Kupfer, Silber, elektrisch leitendem Kunststoff und Kunststoffverbundstoff besteht. Das Folienmaterial besteht aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. Unabhängige Ansprüche sind für Folgendes enthalten: Plattenmaterial und mobiles Gerät.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2011 113 651 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verformung eines ebenen Organoblechs als bekannt zu entnehmen. Die Vorrichtung hat ein Heizelement, welches auch als ein lineares kolbenähnliches Element bezeichnet wird, um ein organisches Blatt entlang einer Faltlinie teilweise zu erwärmen. Ein Faltwerkzeug, das heißt ein Vakuumausstoßer, faltet einen Teilflächenbereich, der auf einer Seite der Faltlinie liegt, um die Faltlinie relativ zu einem anderen Teilflächenbereich zu falten. Der letztere Bereich liegt auf einer anderen Seite der Faltlinie und bleibt während des Faltens in einer Ebene. Das Heizelement überträgt durch elektromagnetische Strahlung Energie auf die organische Folie. Das Heizelement ist in einem Scharnier zwischen zwei Faltelementen angeordnet. Ein unabhängiger Anspruch ist auch für ein Verfahren zum Verformen einer planaren organischen Folie enthalten.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von endkonturnahen, dreidimensionalen Vorformlingen bereitzustellen, welches besonders effizient und kostengünstig ist. Zudem soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit welcher ein besonders effizientes und kostengünstiges Verfahren ermöglicht wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung von endkonturnahen, dreidimensionalen Vorformlingen bereitgestellt wird. Solch ein Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Bereitstellen von mindestens einem vorbehandelten Tape oder von mindestens einem Erzeugnis, welches mindestens ein vorbehandeltes Tape umfasst, wobei das Tape zumindest ein Matrixsystem und zumindest eine Faser umfasst. Das vorbehandelte Tape oder das Erzeugnis wird dabei gemäß dem Schwerkraftprinzip auf eine Kontur von einer Vorrichtung gelegt, wobei das Tape zumindest einen magnetisierbaren Füllstoff umfasst und/oder einen metallischen Faserfüllstoff umfasst und wobei die Vorrichtung magnetisierbare und/oder magnetische Bereiche umfasst, sodass ein endkonturnaher, dreidimensionaler Vorformling mittels der Vorrichtung geformt wird. Durch das Ablegen von vorbehandelten Tapes oder dessen Erzeugnissen auf eine entsprechende Werkzeugform beziehungsweise Vorrichtungsform ist es möglich, unmittelbar einen Vorformling effizient und kostengünstig herzustellen. Das Verfahren ist insbesondere deswegen als kostengünstig anzusehen, da aufwendige Drapierschritte entfallen und diese durch die Anziehung des Werkstoffes an die Wand der Vorrichtung vorgeformt werden. Zudem kann eine bewusste Wechselwirkung zwischen der Vorrichtung beziehungsweise der Vorrichtung in Form eines Werkzeugs, beispielsweise ausgeprägt als Formwerkzeug und den Tapes beziehungsweise den Erzeugnissen erreicht werden, so dass ein kostengünstiges und effizientes Verfahren ermöglicht wird. Die magnetisierbaren und/oder magnetischen Bereiche können dabei beispielsweise nur in einem unteren Teil der Vorrichtung vorgesehen sein. Der Bereich von der Vorrichtung, auf welchen das zumindest eine Tape beziehungsweise Erzeugnis ablegbar ist, kann dabei zumindest teilweise als Vertiefung mit zumindest zwei unterschiedlichen Radien vorgesehen sein. Die magnetisierbaren Bereiche können beispielsweise mit einer elektromagnetischen Vorrichtung, welche in der Vorrichtung zur Herstellung von endkonturnahen, dreidimensionalen Vorformlingen vorgesehen ist, bereitgestellt werden.
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Mit anderen Worten kann es sich beispielsweise um eine muldenförmige Vertiefung handeln, in welche das zumindest eine Tape oder das Erzeugnis abgelegt wird. Auch ist vorstellbar, dass die Kontur zumindest teilweise konvexe und/oder konkave Bereiche aufweist. Auch ist vorstellbar, dass die Kontur beispielsweise ausschließlich konvex ausgebildet ist. Die magnetischen Bereiche können beispielsweise elektromagnetische Bereiche sein.
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Dabei wird eine magnetische Wirkung durch den magnetisierbaren Füllstoff und/oder metallischen Faserfüllstoff in Form beispielsweise von magnetischen, magnetisierbaren Partikeln, Fasern und dergleichen beispielsweise im thermoplastischen Granulat des Matrix-Werkstoffs, der Faserumantelung erzeugt oder durch Elemente im Faserhalbzeug selbst, welche erst nach der Herstellung des Halbzeugs durch einen Magnetisierprozess magnetisch werden, erreicht werden. Die Wechselwirkung kann also durch die magnetische Anziehung beziehungsweise durch Ausnutzung der Reluktanzkraft unterstützt werden. Für die Ausnutzung der Reluktanzkraft ist eine Magnetisierung nicht zwingend notwendig, da beispielsweise Eisenpartikel die Induktion im Magnetfeld verstärken und somit auch eine Anziehungskraft erzielen. Eisen enthält bereits ohne äußeres Magnetfeld Bereiche, die magnetisch gleich ausgerichtet sind, sogenannte magnetisierbare Domänen. Viele solcher Magnetfeldbereiche liegen mit verschiedenen Ausrichtungen nebeneinander. Beim Kontakt mit den magnetischen Bereichen des Werkzeugs, welche beispielsweise durch einen im Werkzeug integrierten und steuerbaren Elektromagneten oder einer elektromagnetischen Vorrichtung vorgesehen sein können, richten sich alle gleich aus und das Eisen wird angezogen. Physikalisch erfolgt eine Magnetisierung von Metallen durch die Ausrichtung von sogenannten Blochwänden.
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Die Blochwände sind „Trennelemente“ von sogenannten Weiß‘schen Bezirken. Die Blochwände liegen in einem unmagnetisierten Eisen oder ferromagnetischen Stahl (oder vergleichbarer Metalle) unorientiert gemäß einer stochastischen Verteilung vor. Solange diese Blochwände nicht orientiert sind, ist das Metall unmagnetisch. Werden diese Blochwände im Werkstück wiederum einem starken Magnetfeld ausgesetzt, wie im vorgestellten Verfahren der Fall, richten diese sich demgemäß aus und das Werkstück wird magnetisch. Folglich können diese magnetisierten Komponenten sowohl magnetisch gehandhabt und transportiert werden als auch in ihrer Formung gemäß dem vorgestellten Verfahren durch magnetische Anziehung beziehungsweise durch Ausnutzung der Reluktanzkraft unterstützt werden. Wird ein Tape mit den magnetisch anziehbaren Anteilen im FVK (beispielsweise in Form des magnetisierbaren Füllstoff) ins Magnetfeld des Werkzeugs beziehungsweise Formwerkzeugs eingebracht, steigt die Induktivität und somit die Reluktanzkraft. Das Tape oder allgemein ein flexibles FVK-Halbzeug richtet sich nach der Reluktanzkraft im Magnetfeld im Werkzeug aus und wird an die Wand der Kavität/Kontur/Werkzeugwand „gezogen“.
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Das Wirkprinzip funktioniert dann ähnlich zu einem Schrottgreifer (Hubgreifer), welcher durch einen stromdurchflossenen Leiter (Elektromagneten) ein Magnetfeld in seiner Umgebung verursacht. Die Lenzsche Regel besagt sinngemäß, dass eine Kraft oder Bewegung so gerichtet ist, dass sie ihrer Ursache - in diesem Fall dem Stromfluss - entgegenwirkt. Folglich ist ein Magnetkreis um eine stromdurchflossene Spule bestrebt, seinen magnetischen Widerstand zu verringern und auch Luftspalte zu schließen: Dadurch erhöht sich die Induktivität und in der Spule wird eine Spannung induziert, welche die gleiche Polarität wie die Speisespannung hat - der Strom verringert sich während des Zueinander-Bewegens der Eisenteile des Magnetkreises, also der Anziehung des Tapes beispielsweise an der Werkzeugwand.
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Es ist also möglich, aufgrund der Anziehung des Faserverbundkunststoffes eine Vordrapierung und Ablage ohne umfängliche Fixierschritte oder zumindest mit reduzierten Greif- und Handhabungspunkten bereitzustellen, sodass ein Preforming im Sinne eines externen, vorgeschalteten Tapelegens entfallen kann beziehungsweise überflüssig wird.
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Mittels des vorgestellten Verfahrens lässt sich somit ein Preformingschritt beispielsweise in Form eines externen Legeprozesses der Tapes vor dem eigentlichen Thermoform- oder Overmoulding-Schritt vermeiden. Es ist somit keine Ablage von Preforms vor dem eigentlichen Drapierschritt erforderlich. Vielmehr ist ein direktes Ablegen der Tapebestandteile auf der Vorrichtung beziehungsweise dem Werkzeug möglich beziehungsweise realisierbar. Dabei ist keine direkte elektrische Kontaktierung der Tapes oder von Kontaktbereichen des Werkzeugs nötig.
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Generell ist zudem bekannt, dass durch die Integration von magnetischen Leitfähigkeitsadditiven in die Kunststoffmatrix die Abschirmeigenschaften von Kunststoffen deutlich verbessert werden. Die magnetischen Additive erzeugen innerhalb der Polymermatrix polarisierbare Domänen, welche elektromagnetische Felder und Wellen infolge des Polarisationseffekts abschwächen und somit das Abschirmvermögen von Kunststoffen signifikant verbessern. Mit derartigen vorbehandelten Tapes, welche magnetische Füllstoffe umfassen, können diese Vorteile ebenfalls erreicht werden. Somit sind die Tapes magnetisch.
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Mit Hilfe der endkonturnahen Fertigung, beispielsweise von thermoplastischen Halbzeugen, können Verfahrensschwierigkeiten eines konventionellen Tapelegeverfahrens, wie beispielsweise die Faltenbildung entlang lateraler Bahnkurven bewältigt werden. Dafür werden die vorbehandelten Tapes lediglich in oder auf das Formwerkzeug gelegt. Infolge der Schwerkraft schmiegen sich die Tapes der Kontur des Formwerkzeugs an.
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Die zuvor genannte Wechselwirkung, insbesondere steuerbar durch die magnetisierbaren und/oder magnetischen Bereiche der Vorrichtung beziehungsweise des Werkzeugs, unterstützt diesen Vorgang auf vorteilhafte Weise. Durch diese Wechselwirkung entfällt ein gesonderter Fügevorgang beziehungsweise ein Heftvorgang und ein Halten der Tapes in der Vorrichtung beziehungsweise im Werkzeug ist ohne weitere Fixierung oder Greifer möglich. Durch die wirkende Anziehungskraft kann ein Preforming beispielsweise direkt in der Vorrichtung beziehungsweise im Werkzeug erfolgen. Dadurch können komplexe Bereiche ohne weiteres Zutun schon vordrapiert werden. Die Berechnung der „Greif-“ beziehungsweise Haltekraft ist überschlägig möglich in Abhängigkeit des Spulenstroms und der Tapelage. Die Tapes legen sich beim Ablegen auf der Werkzeugform somit selbstständig an die Werkzeugoberfläche beziehungsweise zumindest teilweise unmittelbar an die jeweiligen Werkzeugwände. Ein „Heften“ oder lokales „Verlöten“ der Tapes ist nicht mehr erforderlich. Auch dies kann mittels nur lokal vorliegender Partikel auch nur in Teilbereichen des Tapes umgesetzt werden.
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Folglich werden mit dem beschriebenen Verfahren endkonturnahe Vorformlinge, welche auch Preforms genannten werden können, hergestellt. Das beschriebene Verfahren erfordert im Gegensatz zum konventionellen Verfahren weniger Prozessschritte bis zur finalen Fertigung von strukturellen Bauteilen. Folglich wird durch den Einsatz des vorgesehenen Verfahrens eine Reduzierung der Prozesszeiten und -kosten beabsichtigt.
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Im Gegensatz zu den gegenwärtigen Verfahren zur Ablage formflexibler FVK-Halbzeuge können mit dem vorgestellten Verfahren auch komplexe Bauteilgeometrien realisiert werden. Die Ablage beispielsweise der Tapes auf einem 3D-Grundkörper bietet die Möglichkeit, direkt komplexe Strukturen, zum Beispiel, Batterieunterschalen, ohne Vorformprozess und -werkzeug herzustellen. Auch sehr komplexe Geometrien können dabei abgebildet werden. Dadurch lässt sich auch ein 2-Shot-Prozess für komplexe Bauteilgeometrien wie die einer Batteriewanne realisieren. Eine komplexe Herstellung mit entsprechend hohen Kosten kann somit vermieden werden, wie sie beim Stand der Technik auftreten könnte.
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Insgesamt lassen sich in offensichtlicher Weise somit Prozesszeiten einsparen, da direkt im Werkzeug eine Ablegevorgang auch von komplexen Formen realisiert werden kann. Somit werden auch komplexere 3D-Geometrien realisierbar.
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Mit anderen Worten werden Tapes oder deren Erzeugnisse in ein Werkzeug eingelegt und schmiegen sich infolge der Schwerkraft beziehungsweise der zuvor erläuterten Wechselwirkung der Form des Werkzeugs an. Eine Kleb- oder anderweitige Fügeverbindung zum „Vorheften“ der einzelnen Tapes oder Erzeugnisse ist dabei bewusst nicht vorgesehen. Vielmehr können die Ablegevorgänge der Tapes beziehungsweise Erzeugnisse direkt und ohne nennenswerten vorherigen Aufwand vollzogen werden. Folglich ist bei dem vorgestellten Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen keine Druckapplikation erforderlich, wie es beispielsweise etwa beim Fiber Placement beziehungsweise Automated Fiber Placement der Fall ist. Dabei werden möglichst alle Verfahrensschritte gemäß dem Prinzip eines One-Shot-Verfahrens in einem einzigen Werkzeug durchgeführt.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Vorrichtung zur Herstellung von endkonturnahen, dreidimensionalen Vorformlingen bereitgestellt wird. Solch eine Vorrichtung umfasst einen dreidimensionalen Grundkörper für einen Ablegevorgang von mindestens einem bereitgestellten vorbehandelten Tape oder von mindestens einem bereitgestellten Erzeugnis, welches mindestens ein vorbehandeltes Tape umfasst, wobei das Tape zumindest ein Matrixsystem und zumindest eine Faser umfasst. Die Vorrichtung umfasst dabei magnetisierbare und/oder magnetische Bereiche, sodass ein endkonturnaher, dreidimensionaler Vorformling mittels der Vorrichtung geformt wird, wenn das zumindest eine vorbehandelte Tape oder das mindestens eine Erzeugnis gemäß dem Schwerkraftprinzip auf eine Kontur von der Vorrichtung gelegt wird, wobei das Tape zumindest einen magnetisierbaren Füllstoff umfasst und/oder einen metallischen Faserfüllstoff umfasst. Die Vorrichtung kann beispielsweis als Formwerkzeug zumindest teilweise vorgesehen sein. Die magnetisierbaren Bereiche können beispielsweise mittels eines Elektromagneten bereitgestellt werden. Die magnetischen Bereiche können beispielsweise nur in einem Teil der Vorrichtung vorgesehen sein. Die magnetischen Bereiche können beispielsweise elektromagnetische Bereiche sein. Die zuvor genannten Vorteile gelten soweit übertragbar auch für die vorgestellte Vorrichtung.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Vorformteil bereitgestellt wird, welches gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 hergestellt ist. So ein Vorformteil kann auch als Vorformling bezeichnet werden. Die zuvor genannten Vorteile gelten soweit übertragbar auch für das vorgestellte Vorformteil.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 8 und 9 in einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 6 vorgesehen ist. Die zuvor genannten Vorteile gelten soweit übertragbar auch für die vorgestellte Verwendung.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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So ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das mindestens eine vorbehandelte Tape ein vorimprägniertes, lang- oder endlosfaserverstärktes Tape ist, wobei das Tape zumindest einen magnetisierbaren Füllstoff umfasst und/oder einen metallischen Faserfüllstoff umfasst. Der metallische Faserfüllstoff kann beispielsweise zumindest teilweise metallische Fasern umfassen. Mit anderen Worten sind im Rahmen des Verfahrens vorzugsweise zum Beispiel bereits vorimprägnierte, endlosfaserverstärkte Tapes zu verwenden. Diese Tapes können bei geeigneter Prozessführung ohne nachgeschaltete Imprägnier- und Konsolidierungsvorgänge mittels Tapelegeverfahren unmittelbar zu finalen Bauteilen verarbeitet werden. Auf diese Weise ist es besonders gut möglich, unmittelbar einen Vorformling effizient und kostengünstig herzustellen. So ein Vorformling kann beispielsweise ein thermoplastisches Halbzeug sein.
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Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens eine dreidimensionale Kontur umfasst. Somit können die eingelegten Komponenten beziehungsweise die Tapes oder die Erzeugnisse diese dreidimensionale Kontur übernehmen.
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Zudem ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das mindestens eine vorbehandelte Tape oder das mindestens eine Erzeugnis durch eine Erwärmung der Vorrichtung prozessintegriert erwärmt wird. Somit kann also optional die finale Verarbeitung der Vorformlinge in der gleichen Vorrichtung beziehungsweise im gleichen Formwerkzeug erfolgen. Insbesondere kann also durch die wirkende Anziehungskraft beziehungsweise die zuvor erläuterte Wechselwirkung ein Preforming beispielsweise direkt in der Vorrichtung beziehungsweise im Thermowerkzeug erfolgen.
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Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der magnetisierbare Füllstoff ein keramischer Ferrit ist und der metallische Faserfüllstoff 0,1 bis 50 Gew.-%, bevorzugter 0,1 bis 30 Gew.-%, noch bevorzugter 0,1 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter 0,1 bis 10 Gew.-% und noch bevorzugter 0,1 bis 5 Gew.-% Stahlfasern bezogen auf das Gesamtgewicht des verwendeten Matrixsystems umfasst.
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Verwendet werden in der Regel keramische Ferrite als Füllstoff. Allerdings weisen keramische Ferrite geringe elektrische Leitfähigkeiten auf. Daher werden zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des endgültigen Bauteils neben keramischen Ferriten beispielsweise auch einige Gew.-% Stahlfasern beigemengt. Diese Eigenschaft erweist sich im Rahmen der endkonturnahen Fertigung von Kunststoffhalbzeugen aus Tapes als sehr vorteilhaft.
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Im Rahmen des Verfahrens werden vorzugsweise Tapes, beispielsweise UD-Tapes, verwendet, die mit magnetischen Füllstoffen versehen sind. Dies ginge auch mit anderen Tapes, welche nicht vorkonsolidiert sind, sondern formflexibel sind. Solche Tapes können grundsätzlich ohne nachgeschaltete Imprägnier- und Konsolidierungsvorgänge mittels Tapelegeverfahren zu finalen Bauteilen verarbeitet werden.
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Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass beim Auflegevorgang von unterschiedlichen Tapes oder Erzeugnissen, aufeinanderfolgende Tapes oder Erzeugnisse eine unterschiedliche Auslegungsrichtung bezogen auf eine horizontale Auflagefläche auf die Vorrichtung aufweisen, insbesondere eine jeweilige Auslegungsrichtung, welche zwischen 0,1° und 179°, insbesondere zwischen 45° und 120°, insbesondere zwischen 60° und 100°, und insbesondere um 90° in Bezug auf die andere Auslegungsrichtung vollzogen wird. Die zuvor genannten Vorteile lassen sich somit noch besser erreichen.
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Schlussendlich ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung Mittel zur Durchführung eines Thermoverfahrens umfasst, sodass in der Vorrichtung ein Thermoverfahrensschritt durchführbar ist.
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Das Verfahren kann beispielsweise auch als entkonturnahe Fertigung thermoplastischer Halbzeuge bezeichnet werden. Angewendet werden können das Verfahren und die Vorrichtung beispielsweise bei der Fertigung von Batteriesystemen, vor allem Batterieunterschalen oder Batteriestrukturen. Auch können das Verfahren und die Vorrichtung zur Herstellung komplexer Interieurstrukturen verwendet werden. Auch ist vorstellbar, dass mittels des Einsatzes des Verfahrens und der Vorrichtung Sitzschalen und andere Komponenten hergestellt werden können. Generell ist vorstellbar, dass sämtliche FVK-Bauteile, die durch Thermoformen hergestellt werden, Pressteile von Leichtbaumaterialien (Schäume, Laminate und dergleichen), die in großer Flexibilität hergestellt werden müssen, mittels des Einsatzes des Verfahrens und der Vorrichtung hervorgebracht werden können. Das vorgestellte Verfahren und die Vorrichtung eignen sich für die Herstellung von Schalen, Boxen, Cases, Versteifungen, Prototypenteilen, Rahmen, Gehäuseteilen und so weiter. Das mindestens eine Erzeugnis kann beispielsweise zumindest teilweise ein Organoblech umfassen beziehungsweise zumindest teilweise ein Organoblech darstellen. Auch kann das Erzeugnis als ein Faser-Halbzeug aufgefasst werden. Der Begriff Tape kann zudem als ein FVK mit duromerischer oder thermoplastischer Matrix mit Fasersystem, -gelege, -gewebe oder Faserbündel oder Einzelfaser im aufgerollten oder blechförmigen Zustand, imprägniert und/oder vorkonsolidert aufgefasst werden. Wenn mehrere Fasern vorgesehen sind, kann in diesem Zusammenhang auch von einem jeweiligen Fasersystem gesprochen werden. Mit anderen Worten ist der Begriff „zumindest eine Faser“ auch als ein Fasersystem aufzufassen.
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Unter dem Begriff Organobleche sind dabei im weitesten Sinne endlosverstärkte Laminate mit thermoplastischer Matrix zu verstehen. Sie können beispielsweise aus Tapes durch verschieden ausgerichtetes Übereinanderlegen (Gelege) oder durch thermoplastisch infiltrierte Gewebelagen oder durch verwobene oder unverwebte Fasern in einer thermoplastischen Matrix als „Bleche“ hergestellt werden.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht von einem dreidimensionalen Vorformling in einer Vorrichtung;
- 2 eine weitere schematische Schnittansicht von einem dreidimensionalen Vorformling in einer Vorrichtung;
- 3 verschiedene zueinander angeordnete Tapelagen in einer ersten Variante;
- 4 verschiedene zueinander angeordnete Tapelagen in einer weiteren Variante;
- 5 verschiedene zueinander angeordnete Tapelagen in einer aufgerollten Variante.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht von einem dreidimensionalen Vorformling 10 in einer Vorrichtung 12. Die Vorrichtung 12 kann beispielsweise ein Werkzeug, insbesondere ein Formwerkzeug, sein, welches elektromagnetische Bereiche umfasst. Dabei ist ein einziges Tape 14 zu erkennen, welches über einer Formvertiefung 16 von der Vorrichtung 12 angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Tape 14 die Form von der Formvertiefung 16 der Vorrichtung 12 übernehmen, wenn es dort hineingelegt wird. Von der Vorrichtung 12 ist lediglich die untere Hälfte dargestellt. In dieser Darstellung ist eine Wechselwirkung im Bezug auf die magnetische Anziehung nicht aktiviert, sodass das Tape 14, welches beispielsweise einen nicht näher gezeigten magnetisierbaren Füllstoff umfassen kann, noch nicht in die Form der Formvertiefung 16 von der Vorrichtung 12 hineingezogen wird.
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2 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht von einem dreidimensionalen Vorformling 10 in einer Vorrichtung 12. Die Vorrichtung 12 kann beispielsweise ein Werkzeug, insbesondere ein Formwerkzeug, sein, welches elektromagnetische Bereiche umfasst. Die elektromagnetische Bereiche sind dabei in Form eines Elektromagneten 18 dargestellt. Der Elektromagnet 18 kann auch als Induktor bezeichnet werden. Dabei ist ein einziges magnetisierbares Halbzeug 20, welches beispielsweise ein Tape 14 mit einem magnetisierbaren Füllstoff sein kann, zu erkennen, welches in einer Formvertiefung 16 von der Vorrichtung 12 eingelegt ist. Auf diese Weise übernimmt das magnetisierbare Halbzeug 20 die Form von der Formvertiefung 16 von der Vorrichtung 12. Von der Vorrichtung 12 ist lediglich die untere Hälfte dargestellt.
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3 zeigt verschiedene zueinander angeordnete Tapelagen 22 in einer ersten Variante. Dabei sind verschiedene Tapes 14a,b,c dargestellt, welche in diesem Ausführungsbeispiel jeweils eine unterschiedliche Auslegungsrichtung bezogen auf eine horizontale Auflagefläche auf eine nicht näher dargestellte Vorrichtung 12 aufweisen. Dabei sind die gezeigten Auslegungsrichtungen der unterschiedlichen Tapes 14a,b,c jeweils um 90° in Bezug auf die Auslegungsrichtung eines benachbarten Tapes 14 ausgerichtet. In einer nicht gezeigten Variante könnte diese jeweilige Auslegungsrichtung auch zwischen 0,1° und 179°, insbesondere zwischen 45° und 120°, insbesondere zwischen 60° und 100° ausgerichtet sein. Das oberste Tape 14a kann auch als Trägerfolie bezeichnet werden, wobei in dieser Darstellung ein magnetisierbaren Füllstoff 24 dargestellt ist. Anstelle des magnetisierbaren Füllstoffs 24 kann beispielsweise auch ein metallischer Faserfüllstoff vorgesehen sein. Auch ist vorstellbar, dass sowohl der magnetisierbare Füllstoff 24 als auch der metallische Faserfüllstoff gleichzeitig vorgesehen sind. Dabei ist weiter vorstellbar, dass der magnetisierbaren Füllstoff 24 ein keramischer Ferrit ist und der metallische Faserfüllstoff 0,1 bis 50 Gew.-%, bevorzugter 0,1 bis 30 Gew.-%, noch bevorzugter 0,1 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter 0,1 bis 10 Gew.-% und noch bevorzugter 0,1 bis 5 Gew.-% Stahlfasern bezogen auf das Gesamtgewicht des verwendeten Matrixsystems umfasst. Auch ist vorstellbar, dass lediglich das oberste Tape 14a einen magnetisierbaren Füllstoff 24 aufweist und die darunter liegenden Schichten entsprechend neutrale Schichten darstellen. Eine neutrale Schicht kann also durch ein vorbehandeltes Tape 14b,c ohne magnetisierbaren Füllstoff 24 vorgesehen sein. Eine neutrale Schicht kann zum Beispiel auch dadurch gekennzeichnet sein, dass lediglich ein magnetischer Partikel oder nur zumindest ein Füllstoffpartikel beziehungsweise Füllstoff vorhanden ist und somit diese Schicht im Vergleich zu der magnetisierbaren oder magnetischen Schicht beziehungsweise Tape 14a kaum oder gar keine Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Bereichen aufweist.
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Mit anderen Worten können die angeordneten Tapelagen 22 in einer ersten Variante in diesem Falle auch als ein besonderes Erzeugnis 26 angesehen werden, welches mindestens ein vorbehandeltes Tape 14a umfasst, wobei das Tape 14a zumindest ein Matrixsystem und zumindest eine Faser umfasst, wobei das Tape 14a zumindest einen magnetisierbaren Füllstoff 24 und/oder einen metallischen Faserfüllstoff umfasst.
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4 zeigt verschiedene zueinander angeordnete Tapelagen 22 in einer weiteren Variante. Dabei sind verschiedene Tapes 14a,b,c,d dargestellt, welche in diesem Ausführungsbeispiel jeweils eine unterschiedliche Auslegungsrichtung bezogen auf eine horizontale Auflagefläche auf eine nicht näher dargestellte Vorrichtung 12 aufweisen. Dabei sind die gezeigten Auslegungsrichtungen der unterschiedlichen Tapes 14a,b,c,d jeweils um 90° in Bezug auf die Auslegungsrichtung eines benachbarten Tapes 14 ausgerichtet. In einer nicht gezeigten Variante könnte diese jeweilige Auslegungsrichtung auch zwischen 0,1° und 179°, insbesondere zwischen 45° und 120°, insbesondere zwischen 60° und 100° ausgerichtet sein. Das im Wesentlichen mittlere Tape 14c kann in dieser Darstellung mit einem magnetisierbaren Füllstoff 24 dargestellt sein. Anstelle des magnetisierbaren Füllstoffs 24 kann beispielsweise auch ein metallischer Faserfüllstoff vorgesehen sein.
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Es ist dabei vorstellbar, dass sowohl der magnetisierbare Füllstoff 24 als auch der metallische Faserfüllstoff gleichzeitig vorgesehen sind. Dabei ist weiter vorstellbar, dass der magnetisierbare Füllstoff 24 ein keramischer Ferrit ist und der metallische Faserfüllstoff 0,1 bis 50 Gew.-%, bevorzugter 0,1 bis 30 Gew.-%, noch bevorzugter 0,1 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter 0,1 bis 10 Gew.-% und noch bevorzugter 0,1 bis 5 Gew.-% Stahlfasern bezogen auf das Gesamtgewicht des verwendeten Matrixsystems umfasst.
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Auch ist vorstellbar, dass lediglich das im Wesentlichen mittlere Tape 14c einen magnetisierbaren Füllstoff 24 aufweist und die umliegenden Schichten entsprechend neutrale Schichten darstellen. Eine neutrale Schicht kann also durch ein vorbehandeltes Tape 14a,b,d ohne magnetisierbaren Füllstoff 24 vorgesehen sein. Eine neutrale Schicht kann zum Beispiel auch dadurch gekennzeichnet sein, dass lediglich ein magnetischer Partikel oder nur zumindest ein Füllstoffpartikel beziehungsweise Füllstoff vorhanden ist und somit diese Schicht im Vergleich zu der magnetisierbaren oder magnetischen Schicht beziehungsweise Tape 14a kaum oder gar keine Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Bereichen aufweist.
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Mit anderen Worten können die angeordneten Tapelagen 22 in einer ersten Variante in diesem Falle auch als ein besonderes Erzeugnis 26 angesehen werden, welches mindestens ein vorbehandeltes Tape 14c umfasst, wobei das Tape 14c zumindest ein Matrixsystem und zumindest eine Faser umfasst, wobei das Tape 14c zumindest einen magnetisierbaren Füllstoff 24 und/oder einen metallischen Faserfüllstoff umfasst.
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5 zeigt verschiedene zueinander angeordnete Tapelagen 22 in einer aufgerollten Variante. Dabei kann in diesem Falle das Tape 14a neutral sein, im Sinne, dass es keinen Füllstoff 24 oder Zwischenlage aufweist und das Tape 14b kann zumindest einen magnetisierbaren Füllstoff 24 und/oder einen metallischen Faserfüllstoff umfassen. Insofern kann auch diese aufgerollte Tapelage 22 als ein besonderes Erzeugnis 26 angesehen werden, welches mindestens ein vorbehandeltes Tape 14b umfasst, wobei das Tape 14b zumindest ein Matrixsystem und zumindest eine Faser umfasst, wobei das Tape 14b zumindest einen magnetisierbaren Füllstoff 24 und/oder einen metallischen Faserfüllstoff umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorformling
- 12
- Vorrichtung
- 14
- Tape
- 14a
- Tape
- 14b
- Tape
- 14c
- Tape
- 14d
- Tape
- 16
- Formvertiefung
- 18
- Elektromagnet
- 20
- magnetisierbares Halbzeug
- 22
- Tapelage
- 24
- magnetisierbarer Füllstoff
- 26
- Erzeugnis
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010054934 A1 [0005]
- DE 102010062978 A1 [0006]
- DE 102011113651 A1 [0007]
