DE10012378A1

DE10012378A1 - Automatic laying of carbon fiber-reinforced thermoplastic tapes, to form thin-walled, load-optimized composites, exploits electrostatic attraction to hold layers against insulant mold surface

Info

Publication number: DE10012378A1
Application number: DE2000112378
Authority: DE
Inventors: Jochen Korn; Jens Lichtner; Guido Beresheim
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: DE10012378C2

Abstract

An electrical voltage applied between platform (3) and tape (10), sets up a field (15) causing polarization. This enables application of tape to an electrically-insulating surface (8). Preferred features: The fiber-plastic composite is fully- or partially impregnated. Earthing of the fiber-reinforced plastic tape is accomplished through: carbon fibers, the consolidation (pressing) system, tape holder (i.e. a reel) and/or any other component of the tape-laying head. It may not be essential. The platform can be used uncoated. In this case the tape is a non-conducting thermoplastic having centrally-layered carbon fibers. When an insulating coating is used, it can be of the same or a similar plastic. It is especially ceramic. Tapes are applied cooled, heated or without thermal pre-conditioning. Mold insulation is applied in sheet form, or as a powder which can be melted (powder coating).

Description

Technical field

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablegen von faserverstärkten Thermoplastbändern auf einer Werkzeugplattform mit Hilfe des Tapelegeverfahrens nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a method for depositing fiber-reinforced thermoplastic tapes a tool platform using the tape laying process according to the generic term of the first Claim.

State of the art

Mit dem Begriff Tapelegen, oder im Englischen Tape/Tow Placement bzw. Fiber Placement, wird das automatisierte richtungs- und positionsunabhängige Ablegen von unidirektional faserverstärkten Kunststoffbändchen auf ebenen oder gekrümmt flächigen Strukturen bezeichnet. Tapelegen ermöglicht eine beanspruchungsgerechte Faserorientierung und -positionierung im Bauteil. Die Bändchen können in unterschiedlicher Breite bzw. Dicke entweder einzeln oder mehrere gleichzeitig abgelegt werden.With the term tape laying, or in English tape / tow placement or fiber placement the automated storage of unidirectional fiber-reinforced, regardless of direction and position Plastic tapes on flat or curved flat structures. Tape laying enables fiber orientation and positioning in the component to meet the requirements. The Ribbon can be of different width or thickness either individually or several be filed at the same time.

Zur Positionierung und Orientierung des Tapelegekopfes (TLK) (Fig. 2) 5 auf großflächigen Strukturen dient ein Mehrachsportalsystem oder ein Knickarmroboter 13. Auf diesem sind sowohl die Spule für Bändchenhalbzeuge 7 als auch der Tapelegkopf 5 samt Aufheizvorrichtung 11 montiert. Die wesentlichen Komponenten des TLK sind neben der Aufheizvorrichtung die Andrückvorrichtung 6, der Schneidemechanismus und die Bandvorschubeinheit. Das Bändchen 10 wird mit Hilfe einer integrierten Vorschubeinheit bis zur Andrückvorrichtung 6 transportiert. Der TLK wird auf eine drehbar 12 gelagerte Werkzeugplattform 3 aufgesetzt. Das Bändchen wird nun während des Legeprozesses auf Schmelztemperatur aufgeheizt und unter Applizierung des Konsolidierungsdrucks auf der Werkzeugoberfläche oder dem bereits abgelegten Laminat abgelegt. Am Ende einer Bahn wird das Bändchen durch eine Schneideinheit durchtrennt und der TLK nach der Fertigstellung der Ablage von der Werkzeugplattform abgesetzt.A multi-axis portal system or an articulated arm robot 13 is used to position and orient the tape laying head (TLK) ( FIG. 2) 5 on large-area structures. Both the coil for ribbon semi-finished products 7 and the tape laying head 5 together with the heating device 11 are mounted on this. In addition to the heating device, the essential components of the TLK are the pressing device 6 , the cutting mechanism and the tape feed unit. The ribbon 10 is transported to the pressing device 6 with the aid of an integrated feed unit. TLK is placed on a rotatable platform 12 mounted tool. 3 The ribbon is then heated to the melting temperature during the laying process and placed on the tool surface or the laminate that has already been deposited while applying the consolidation pressure. At the end of a path, the ribbon is cut by a cutting unit and the TLK is removed from the tool platform after the storage has been completed.

Obwohl der derzeitige Entwicklungsstand des Legeprozesses selbst eine Bauteilfertigung ermöglichen würde, können heute kontinuierlich faserverstärkte, thermoplastische Bauteile noch nicht wirtschaftlich mittels der Tapelegetechnik hergestellt werden. Ursächlich dafür ist die bisher nicht serientaugliche Lösung des Erstlagenproblems: Die Verbindung bzw. Haftung der Thermoplastbändchen untereinander wird durch Aufheizen und Konsolidieren während des Prozesses gewährleistet. Allerdings muß für den kontinuierlichen Prozeß zunächst eine erste Lage von Thermoplastbändern aufgebracht werden. Das Erstlagenproblem besteht damit aus der reversiblen Anbindung faserverstärkter Thermoplastbänder auf einer konturierten Werkzeugoberfläche unter der Maßgabe, daß das fertige Bauteil wiederum problemlos von der Werkzeugoberfläche abgenommen werden kann. Aus diesem Grund scheiden Lösungen aus, die die Werkstoffeigenschaften und Oberfläche des Bauteils durch chemische Prozesse, Verunreinigungen, Beschädigungen etc. nachteilig beeinflussen wie z. B. Aufbringen von Klebstoffen, Klebebändern etc [Steiner, Karl: Einsatz einer robotergesteuerten Anlage zum Bandablegen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen, Dissertation, Newark, 1995]. Weiterhin muß sowohl verfahrenstechnisch als auch wirtschaftlich eine Serientauglichkeit insbesondere für sehr große Bauteile, wie sie für die Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, gewährleistet sein. Daher scheiden auch Lösungen wie z. B. eine mit Unterdruck beaufschlagte Werkzeugplattform aus gesintertem Aluminium (z. B. Metapor) oder mit Ansauglöchern versehene Werkzeuge [Kim, H. J.; Lee, W. L; Sihn, S. W.; Tsai, S. W.: Flow and heat transfer analyses during tape lay-up process of thermoplastic composite, I. Crivelli Visconti, ECCM-8, vol. 2, Cambridge 1998, S. 631-636] aus. Das Erstlagenproblem ist demnach noch nicht serientauglich gelöst und wird in nahezu allen Veröffentlichungen nicht behandelt (Ahrens, Markus; Mallik, Vishal: Automated manufacturing of carbon fibre reinforced thermoplastics, in: Advanced Composites Bulletin, August 1998, S. 7-8/Ahrens, M.; Mallick, V.; Parfrey, K.: Roboter legen Thermoplastfasern in Verbundwerkstoffe ein; in: ABB Technik 2/1998, Dornbirn 1998, S. 27-34/Ahrens, Markus: Fibre placement offers cheaper composites; in: Reinforced Plastics, vol. 42 Nr. 6, Oxford 1998, S. 25/Maison, Serge et. al.: Technical developments in thermoplastic composite fuselages; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 5, September/October 1998, S. 33-39/Johnston, N. J. et. al.: Automated Fabrication of high performance composites: An overview of research at the Langley Research Center; in: International conference on composite Materials, Gold Coast, Australia, July 14-18, 1997/N. N.: Automated Fiber Placement Technology, Firmenprospekt/Hauber, David E.; Hardtmann, Dirk J.; Bubeck, Kenneth B.: Recent advances in thermoplastic composite fabrication using rows; in: 35th International SAMPE Symposium, April 2- 5, 1990/N. N.: Fiber Placement Equipment from Automated Dynamics, http://www.global2000.net/ adc/fiber.htm, 9.4.1999/Heider, Dirk; Piovoso M. J.; Gillespie, J. W. Jr.: Intelligent Control of the Thermplastic Composite Tow-Placement Process; in: Journal of Theroplastic Composite Materials, Vol. 11-Nov. 1998/Don, Roderic C.; Holmes, Scott T.; Steiner, Karl V.; Gillespie, J. W. Jr.: Integrated process models for control of thermoplastic tow Placement with on line consolidation; in: 25th international SAMPE technical conference, Okt. 26-28, 1993/Zender, H.: Einsatz von Industrierobotern zur Fertigung von Faserverbundbauteilen im Wickel- und Tapelegeverfahren, Dissertation, VDI Fortschrittsberichte, Reihe 2: Fertigungstechnik, VDI-Verlag, Düsseldorf 1992/Schmidt, Ralph: Entwicklung innovativer Fertigungstechniken zur Verarbeitung kontinuierlich faserverstärkter Thermoplaste im Wickelverfahren, Dissertation, VDI Fortschrittsberichte, Reihe 2: Fertigungstechnik, VDI-Verlag, Düsseldorf 1994/Maison, Serge et. al.: Technical developments in thermoplastic composite fuselages; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 5, September/October 1998, S. 33-39/N. N.: Dassault-Aviation's know-how for composite materials; in: Composites, Nr. 31 Jan./Feb. 1999/Du Pont, Patentschrift, US 5447586, 5.9.1995/Weck, M.; Michaeli, W.; Sonderforschungsbereich SFB 332, Bericht 1997, Teilprojekt 4, S. 175-184/Weck, M.; vor dem Esche, R.: Neue Wege zur Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen; in: Industrielle Anwendung der Faserverbundtechnik III, Fachtagung am 5./6. Oktober 1998 an der RWTH Aachen, S. 125- 128/vor dem Esche, R.: Laserscanner zur Optimierung des Aufheizverfahrens, Messeblatt, 1998/vor dem Esche, R.: Verarbeitungsverfahren für faserverstärkte Thermoplaste, Messeblatt, 1998/Johnston, N. J.: Thermoplastic Composite Fabrication by Automated Robot Heated Head Technology; in: http://larcpubs.larc.nasa.gov/randt/1995/SectionB1.fm514.htm, 11.3.1999/Johnston N. J.; Towell T. W.; Machello J. M.; Grenoble R. W.: Automated fabrication of high preformence composites: an overview of research at the Langley Research Center; in: International Conference on Composite Materials, Gold Coast, Australia, July 14th-18th 1997/Shuart M. J.; Johnston N. J.; Dexter H. B.; Marchello J. M.; Grenoble R. W.: Automated fabrication technologies for high performance polymer composites; in: AGARD spring '98 Workshop on Intelligent Processing of high performance Materials, Brussels, Belgium, May 11th -15th 1998, p. 14-1-14-11/Grenoble, Ray W.; Messier, Bernadette C.; Marchello, Joseph M; Belvin, Harry L.; Johnston, Norman J.: Adhesive Bonding of composite ribbon during automated tow placement; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 3, May/June 1998, S. 56-61/Offenlegungsschrift DE 196 26 662 A1, Johnson, Bruce)Although the current state of development of the laying process itself is a component production fiber reinforced, thermoplastic components can still be used today cannot be economically manufactured using tape technology. The reason for this is so far Solution of the first layer problem not suitable for series production: The connection or liability of the Thermoplastic tapes among themselves are heated and consolidated during the Process guaranteed. However, a first layer must be available for the continuous process be applied by thermoplastic tapes. The first layer problem therefore consists of the reversible connection of fiber-reinforced thermoplastic tapes on a contoured Tool surface provided that the finished component in turn easily from the Tool surface can be removed. For this reason, solutions are out of the question Material properties and surface of the component due to chemical processes, contamination, Damage etc. adversely affect such. B. Application of adhesives, adhesive tapes etc [Steiner, Karl: Use of a robot-controlled system for depositing thermoplastic Composite materials, dissertation, Newark, 1995]. Furthermore, both procedural and also economically a series suitability especially for very large components, such as for the Aerospace can be used to be guaranteed. Therefore, solutions such as B. a tool platform made of sintered aluminum (e.g. Metapor) or tools provided with suction holes [Kim, H. J .; Lee, W. L; Sihn, S. W .; Tsai, S. W .: Flow and heat transfer analyzes during tape lay-up process of thermoplastic composite, I. Crivelli Visconti, ECCM-8, vol. 2, Cambridge 1998, pp. 631-636]. The first layer problem is accordingly not yet suitable for series production and is not dealt with in almost all publications (Ahrens, Markus; Mallik, Vishal: Automated manufacturing of carbon fiber reinforced thermoplastics, in: Advanced Composites Bulletin, August 1998, pp. 7-8 / Ahrens, M .; Mallick, V .; Parfrey, K .: Robots insert thermoplastic fibers in composite materials; in: ABB Review 2/1998, Dornbirn 1998, pp. 27-34 / Ahrens, Markus: Fiber placement offers cheaper composites; in: Reinforced Plastics, vol. 42 No. 6, Oxford 1998, p. 25 / Maison, Serge et. al .: Technical developments in thermoplastic composite fuselages; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 5, September / October 1998, Pp. 33-39 / Johnston, N.J. et. al .: Automated Fabrication of high performance composites: An overview of research at the Langley Research Center; in: International conference on composite Materials, Gold Coast, Australia, July 14-18, 1997 / N. N .: Automated Fiber Placement Technology, Company brochure / Hauber, David E .; Hardtmann, Dirk J .; Bubeck, Kenneth B .: Recent advances in thermoplastic composite fabrication using rows; in: 35th International SAMPE Symposium, April 2- 5, 1990 / N. N .: Fiber Placement Equipment from Automated Dynamics, http://www.global2000.net/ adc / fiber.htm, 9.4.1999 / Heider, Dirk; Piovoso M. J .; Gillespie, J.W. Jr.: Intelligent Control of the Thermoplastic composite tow-placement process; in: Journal of Theroplastic Composite Materials, Vol. 11-Nov. 1998 / Don, Roderic C .; Holmes, Scott T .; Steiner, Karl V .; Gillespie, J.W. Jr .: Integrated process models for control of thermoplastic tow placement with on line consolidation; in: 25th international SAMPE technical conference, Oct. 26-28, 1993 / Zender, H .: use of Industrial robots for the production of fiber composite components in the winding and tape laying process, Dissertation, VDI Progress Reports, Series 2: Manufacturing Technology, VDI-Verlag, Düsseldorf 1992 / Schmidt, Ralph: Development of innovative manufacturing techniques for processing continuously fiber-reinforced thermoplastics in the winding process, dissertation, VDI progress reports, series 2: Manufacturing technology, VDI-Verlag, Düsseldorf 1994 / Maison, Serge et. al .: Technical developments in thermoplastic composite fuselages; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 5, September / October 1998, p. 33-39 / N. N .: Dassault-Aviation's know-how for composite materials; in: Composites, No. 31 Jan./Feb. 1999 / Du Pont, patent, US 5447586, September 5, 1995 / Weck, M .; Michaeli, W .; Collaborative Research Center SFB 332, report 1997, subproject 4, pp. 175-184 / Weck, M .; before the Esche, R .: New ways of processing fiber composite materials; in: Industrial application fiber composite technology III, conference on 5th / 6th October 1998 at RWTH Aachen, p. 125- 128 / vor dem Esche, R .: Laser scanner to optimize the heating process, Messeblatt, 1998 / vor dem Esche, R .: processing method for fiber-reinforced thermoplastics, trade fair sheet, 1998 / Johnston, N.J .: Thermoplastic Composite Fabrication by Automated Robot Heated Head Technology; in: http://larcpubs.larc.nasa.gov/randt/1995/SectionB1.fm514.htm, 11.3.1999 / Johnston N. J .; Towell T. W .; Machello J. M .; Grenoble R. W .: Automated fabrication of high preforms composites: an overview of research at the Langley Research Center; in: International Conference on Composite Materials, Gold Coast, Australia, July 14th-18th 1997 / Shuart M. J .; Johnston N. J .; Dexter H. B .; Marchello J. M .; Grenoble R. W .: Automated fabrication technologies for high performance polymer composites; in: AGARD spring '98 Workshop on Intelligent Processing of high performance materials, Brussels, Belgium, May 11th -15th 1998, p. 14-1-14-11 / Grenoble, Ray W .; Messier, Bernadette C .; Marchello, Joseph M; Belvin, Harry L .; Johnston, Norman J .: Adhesive Bonding of composite ribbon during automated tow placement; in: Sampe Journal, Vol. 34, No. 3, May / June 1998, pp. 56-61 / published application DE 196 26 662 A1, Johnson, Bruce)

Presentation of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Herstellung von dünnwandigen, belastungsoptimierten Faserverbund-Formteilen, welche aus thermoplastischen, kontinuierlich faserverstärkten Bändern aufgebaut werden und durch einen vollautomatisierten Prozeß mit Hilfe des Tapelegeverfahrens auf einer temperierten oder untemperierten Werkzeugplattform abgelegt werden können. Das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 basiert auf den Haftmechanismen der Elektrostatik. Die beiden dafür notwendigen Leiter werden durch die metallische Werkzeugplattform und eine leitende Faser oder ein leitendes Polymer gestellt (Fig. 1). Als isolierendes Medium zwischen den beiden Leitern kann zum einen der Thermoplast selbst dienen. Zum anderen wird die Werkzeugplattform mit einem hitzebeständigen Isolator beschichtet, z. B. Keramik, Teflon etc., da im Falle von Kohlenstoffasern, die sich in der Regel auch an der Bändchenoberfläche befinden, oder leitenden Polymeren ein Kurzschluß entstehen würde.The invention relates to a method for the automated production of thin-walled, load-optimized fiber composite molded parts which are constructed from thermoplastic, continuously fiber-reinforced strips and which can be deposited on a temperature-controlled or temperature-controlled tool platform by a fully automated process using the tape laying process. The method with the features of claim 1 is based on the adhesive mechanisms of electrostatics. The two necessary conductors are provided by the metallic tool platform and a conductive fiber or a conductive polymer ( Fig. 1). The thermoplastic itself can serve as an insulating medium between the two conductors. On the other hand, the tool platform is coated with a heat-resistant insulator, e.g. As ceramics, Teflon etc., since in the case of carbon fibers, which are usually also on the surface of the ribbon, or conductive polymers, a short circuit would occur.

Nach den heutigen Erkenntnissen über den Aufbau der Materie bestehen die Atome aus elektrisch geladenen und elektrisch neutralen Teilchen. Ein einfaches Modell stellt das Atom durch einen positiven Kern, der aus positiv geladenen Teilchen (Protonen) und neutralen Teilchen (Neutronen) besteht dar, um den die negativ geladenen Elektronen kreisen. Das Atom erscheint nach außen neutral, wenn die Summe der positiven Ladungen gleich der gesamten negativen Ladung der umkreisenden Elektronen ist. Findet eine Trennung solcher geladener Teilchen statt, so treten diese als positive bzw. negative Ladung auf. Überwiegen auf einem Körper die positiven oder negativen Ladungen, so wird dieser als elektrisch positiv bzw. negativ geladen bezeichnet.According to today's knowledge of the structure of matter, the atoms consist of electrical charged and electrically neutral particles. The atom represents a simple model positive nucleus made up of positively charged particles (protons) and neutral particles (neutrons) consists of around which the negatively charged electrons revolve. The atom appears to the outside neutral if the sum of the positive charges is equal to the total negative charge of the orbiting electrons. If such charged particles are separated, they occur as a positive or negative charge. Outweigh the positive or negative on a body Charges, this is called electrically positively or negatively charged.

In der Feldtheorie wird davon ausgegangen, daß mit der Ladung die Existenz eines elektrischen Feldes verknüpft ist, das in ihrer Umgebung besteht. Befindet sich in der Umgebung des Körpers ein Zweiter, wird auf diesen eine Kraft ausgeübt, die aus den Wechselwirkungen zwischen der Ladung des zweiten Körpers und dem Feld des ersten aufgefaßt wird. Ruhen die Ladungen, die ein elektrisches Feld erzeugen, so handelt es sich um ein elektrostatisches Feld.In field theory it is assumed that the existence of an electrical Field that exists in their environment. Is located around the body Secondly, a force is exerted on it, which results from the interactions between the charge of the second body and the field of the first. The charges rest, the one generate an electric field, it is an electrostatic field.

Zur vollständigen Beschreibung des elektrischen Feldes reicht es jedoch nicht aus, wenn die Richtung der Kraftlinien angegeben wird. Es muß auch noch für jeden Punkt der Betrag der Kraft angegeben werden können, die das Feld auf einen Probekörper mit der Ladung Q ausübt. Die Kraft, die im elektrischen Feld auf eine Probeladung wirkt, ist zu deren Ladung proportional. Sie ist jedoch ungeeignet zur eindeutigen Beschreibung der Stärke eines Feldes, da sie von der Größe der Ladung abhängt. Durch eine Anordnung zueinander paralleler Elektroden erhält man ohne Berücksichtigung der Randbereiche ein homogenes Feld.However, for a complete description of the electric field, it is not sufficient if the Direction of the lines of force is given. There must also be the amount of force for each point can be specified that the field exerts on a test specimen with the charge Q. The power that acts on a test charge in the electric field is proportional to its charge. However, it is Unsuitable for clearly describing the strength of a field, as it depends on the size of the charge depends. By arranging electrodes parallel to one another, one obtains without consideration the border areas a homogeneous field.

Im Gegensatz zu elektrischen Leitern sind bei Isolatoren die Elektronen nicht frei beweglich. Befindet sich ein Isolator (Dielektrikum) in einem elektrostatischen Feld so wird auch dieser angezogen, obwohl eine freie Verschiebung der Ladung nicht möglich ist. Die im Atom oder Molekül gebundenen Ladungen richten sich unter dem Einfluß des Feldes aus. An den Außenflächen entstehen so Flächenladungen, auf die das Feld eine Kraftwirkung ausübt. Dieser Vorgang wird als elektrische Polarisation bezeichnet. Da es sich hierbei lediglich um eine Polarisation durch die wirkenden Feldkräfte handelt, bleibt der Isolator als Ganzes elektrisch neutral.In contrast to electrical conductors, the electrons in insulators cannot move freely. If there is an insulator (dielectric) in an electrostatic field, this too tightened, although a free movement of the load is not possible. Those in the atom or Molecule-bound charges align under the influence of the field. To the External surfaces are thus created, on which the field exerts a force. This The process is called electrical polarization. Since this is just a Polarization through the acting field forces, the insulator remains electrical as a whole neutral.

Für den Tapelegepozeß ergibt sich daher folgende Analogie zum Plattenkondensator. Eine der Elektroden wird durch die metallische Werkzeugplattform gebildet. Durch den hohen Volumenanteil an elektrisch leitenden Kohlenstoffasern können diese als Gegenelektrode des Plattenkondensators verwendet werden. Durch die angelegte Elektrodenspannung kommt es zur Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen den Platten.The following analogy to the plate capacitor is therefore obtained for the tape laying process. One of the Electrodes are formed by the metallic tool platform. By the high Volume fraction of electrically conductive carbon fibers can serve as the counter electrode of the Plate capacitor are used. The applied electrode voltage leads to Formation of an electrical field between the plates.

Die Isolationsschicht auf der Platte verhindert einen Ausgleich der Ladungen wodurch es zu Anziehungskräften zwischen der Werkzeugplattform und dem abgelegten Laminat kommt. Die Werkzeugplattform und das Tape werden dabei als homogene leitende Platten betrachtet die durch die Spannung auf die Ladung aufgeladen werden. Die erreichbare Kraft wird begrenzt durch das Isoliervermögen der Dielektrika. Die Spannung, bei der eine Isolierschicht der Dicke, der elektrischen Beanspruchung nicht mehr stand hält, wird als Durchschlagsfestigkeit bezeichnet. Wird diese Grenze überschritten findet ein Ladungsaustausch zwischen Plattform und abgelegtem Tape statt und es kommt zum Verlust der Kraftwirkung. Ist der Abstand der Platten durch die Dicke der Isolierung bestimmt, so entspricht er dem Abstand der Platten. Die maximal erreichbare Kraft zwischen zwei Kondensatorplatten hängt im wesentlichen von der Durchschlagfestigkeit des verwendeten Dielektikums ab. Bei der Verwendung von faserverstärkten Thermoplasttapes befindet sich in der Regel durch die Matrix ein weiterer Isolator im elektrischen Feld.The insulation layer on the plate prevents the charges from balancing causing it to Attraction between the tool platform and the deposited laminate comes. The The tool platform and the tape are viewed as homogeneous conductive plates that pass through the voltage can be charged on the cargo. The achievable force is limited by the Insulation ability of the dielectrics. The voltage at which an insulating layer of thickness, the no longer withstands electrical stress is referred to as dielectric strength. Becomes a charge exchange between the platform and the deposited tape takes place beyond this limit instead and there is a loss of power. Is the distance of the plates by the thickness of the Insulation determined, it corresponds to the distance between the plates. The maximum achievable force between two capacitor plates depends essentially on the dielectric strength of the used dielectric. When using fiber-reinforced thermoplastic tapes usually through the matrix another insulator in the electrical field.

Brief description of the drawing

Fig. 1: Anhaften eines faserverstärkten Kunststoffbändchens auf einer Werkzeugoberfläche durch elektrostatische Anziehung Fig. 1: Adhesion of a fiber-reinforced plastic tape on a tool surface by electrostatic attraction

Fig. 2: Verfahren zum automatisierten Ablegen der ersten Lage mittels elektrostatischer Anziehung beim Tapelegeverfahren Fig. 2: Process for the automated depositing of the first layer by means of electrostatic attraction in the tape laying process

Fig. 3: Beispiel zur Spannungsübertragung auf ein kohlenstoffaserverstärktes Bändchen Einklemmen der freiliegenden Fasern am Spulenkern. Fig. 3: Example of voltage transmission on a carbon fiber reinforced ribbon pinching the exposed fibers on the spool core.

Way of carrying out the invention

Während des Prozesses wird das Bändchen wie bisher bis zur Konsolidierungsvorrichtung 6 vortransportiert. An der Werkzeugplattform 3 ist nun der Minuspol 2 einer Gleichspannungsquelle 1 befestigt. Der Pluspol 4 der Spannungsquelle kontaktiert die Kohlenstoffasern 12 des Thermoplastbandes. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß das auf der Bändchenspule 7 aufgewickelte Bändchenende derart bearbeitet wird, daß die Kohlenstoffasern frei liegen und in den Spulenkern eingeklemmt werden, Fig. 3. An diesen kann nun der Pluspol 4 der Gleichspannungsquelle angeschlossen werden. Setzt der Tapelegekopf 5 zur Aufbringung der ersten Lage auf der Werkzeugplattform 3 auf, an der der Minuspol der Gleichspannungsquelle 1 anliegt, so entsteht zwischen Werkzeugplattform 3 und Kohlenstoffasern 12 im Bändchen ein elektrostatisches Feld und damit die verbindende Normalkraftwirkung, Fig. 1. Die Normalkraft setzt sich aus der Feldwirkung und der Flächenwirkung durch die Polarisation zusammen. Bringt man einen nicht leitenden Körper, hier das thermoplastische Bändchen 10 und eine isolierende Werkzeugbeschichtung 8, in ein elektrisches Feld 15, so wird dieser angezogen, obwohl eine freie Verschiebung der Ladung nicht möglich ist. In Fig. 2 ist das Verfahren zum automatisierten Ablegen der ersten Lage von faserverstärkten, thermoplastischen Bändern mit dem Tapelegeverfahren dargestellt. Eine Gleichstromspannungsquelle 1 im Kilovoltbereich ist mit ihrem Minuspol 2 an der metallischen Werkzeugplattform 3 und mit ihrem Pluspol 4 an dem Tapelegekopf 5 oder der Konsolidierungsvorrichtung 6 oder am Ende des kohlenstoffaserverstärkten Thermoplastbandes in der Spule 7 angebracht. Das elektrostatische Feldes zwischen Werkzeugplattform und Kohlenstoffasern läßt das kohlenstoffaserverstärkte Thermoplastband auf der Werkzeugoberfläche anhaften. Die Werkzeugoberfläche ist zum Schutz gegen Kurzschlüsse durch an der Bandoberfläche befindliche Kohlenstoffasern und zum leichteren Lösen des fertigen Bauteils von der Oberfläche mit einer Keramik 8 z. B. Al₂O₃ beschichtet. Die Anhaftwirkung des elektrostatischen Feldes wird auch nach Beendigung der ersten Lage bis zur kompletten Fertigstellung des Ablegeprozesses genutzt, um das Bauteil auf der Werkzeugplattform zu halten. Das gleiche Verfahren kann ebenfalls für kohlenstoffaserverstärkte Duroplastbänder eingesetzt werden.During the process, the ribbon is transported to the consolidation device 6 as before. The negative pole 2 of a DC voltage source 1 is now attached to the tool platform 3 . The positive pole 4 of the voltage source contacts the carbon fibers 12 of the thermoplastic tape. This can be achieved, for example, by processing the end of the ribbon wound on the ribbon spool 7 in such a way that the carbon fibers are exposed and are clamped in the coil core, FIG. 3. The positive pole 4 of the DC voltage source can now be connected to this. Sets the tape laying head 5 for applying the first layer on the tool platform 3, on which the negative terminal of the DC power source 1 is applied, there arises between the tool platform 3 and carbon fibers 12 in the ribbon, an electrostatic field, and thus the connecting normal force effect, Fig. 1. The normal force is is composed of the field effect and the area effect through the polarization. If a non-conductive body, here the thermoplastic ribbon 10 and an insulating tool coating 8 , is brought into an electrical field 15 , this is attracted, although a free displacement of the charge is not possible. In FIG. 2, the method for automatically depositing the first layer of fiber reinforced thermoplastic bands is shown with the tape laying process. A DC voltage source 1 in the kilovolt range is attached with its negative pole 2 to the metallic tool platform 3 and with its positive pole 4 to the tape laying head 5 or the consolidation device 6 or at the end of the carbon fiber reinforced thermoplastic tape in the coil 7 . The electrostatic field between the tool platform and carbon fibers allows the carbon fiber reinforced thermoplastic tape to adhere to the tool surface. The tool surface is to protect against short circuits by carbon fibers located on the belt surface and for easier release of the finished component from the surface with a ceramic 8 z. B. Al ₂ O ₃ coated. The adhesive effect of the electrostatic field is used even after the first layer has been completed until the laying process is complete in order to hold the component on the tool platform. The same process can also be used for carbon fiber reinforced thermoset tapes.

Claims

1. A method for the automated placement of fiber-reinforced thermoplastic tapes with the tape laying process , characterized in that the application of an electrical voltage to generate an electric field between the tool platform and fiber-reinforced thermoplastic tapes, the adhesion of fiber-reinforced plastic tapes on an electrically insulated tool surface as a result of the electrostatic field and the electrical polarization enables.

2. The method according to claim 1, characterized in that the fiber-plastic composites can be fully impregnated or partially impregnated.

3. The method according to claim 1 to 2, characterized in that the grounding of the fiber-reinforced Plastic tape both over carbon fibers, over the consolidation system, over the Semi-finished product holder (coil) or via any other component of the tape laying head or but can also be omitted.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the tool platform also in uncoated with non-conductive thermoplastic with sedimentation in the middle Carbon fibers can be operated.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the insulating coating same material or other type, mainly ceramic.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the strips are cooled, untempered or can be stored heated.

7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that the tool insulation also in Foil form or as a molten powder can be applied.