DE102016117026A1

DE102016117026A1 - Verfahren zum Herstellen und/oder Überprüfen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102016117026A1
Application number: DE102016117026.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Kamotzke; Daniel Häffelin; Olaf Beutler
Original assignee: Boge Elastmetall GmbH
Current assignee: Boge Elastmetall GmbH
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2018-03-15
Also published as: WO2018046706A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen und/oder Überprüfen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei ein Grundsubstrat (11) und mehrere Faserbandstücke (5, 6) bereitgestellt werden, aus dem Grundsubstrat (11) und den Faserbandstücken (5, 6) ein Vorformling (15) gebildet wird, indem die Faserbandstücke (5, 6) auf das Grundsubstrat (11) aufgebracht werden, wonach der Vorformling (15) umgeformt wird, ein optischer Kontrast zwischen dem Grundsubstrat (11) und den Faserbandstücken (5, 6) erhöht wird, indem die Faserbandstücke (5, 6) und/oder das Grundsubstrat (11) mit oder jeweils mit wenigstens einem Kontrastmittel (33) versehen wird oder werden, und wobei nach dem Erhöhen des optischen Kontrasts die auf das Grundsubstrat (11) aufgebrachten Faserbandstücke (5, 6) optisch überprüft werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und/oder Überprüfen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei ein Grundsubstrat und mehrere Faserbandstücke bereitgestellt werden, aus dem Grundsubstrat und den Faserbandstücken ein Vorformling gebildet wird, indem die Faserbandstücke, insbesondere haftend, auf das Grundsubstrat aufgebracht werden, wonach der Vorformling, insbesondere unter Ausbildung des oder eines Bauteils, umgeformt wird.
Ein derartiges Verfahren ist z.B. aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2016 109 728.4 bekannt.
Faserverbundwerkstoffe werden durch arbeits- und kostenintensive Verfahren hergestellt, wobei der Faserverbundwerkstoff aus einem Anteil Fasern und einem Anteil Matrix besteht. Bei der Verarbeitung endlosfaserverstärkter Thermoplaste ist es dabei üblich, ebene Zwischenprodukte umzuformen, die bereits einen ausreichenden Anteil thermoplastischer Matrix im Fasermaterial enthalten. Dieser Zuschnitt wird insbesondere als Platine bezeichnet, wobei das Ausgangsmaterial der Platine vorzugsweise ein Organoblech ist. Beispielsweise erfolgt das Herstellen eines Organoblechs u.a. durch das Aufschichten ebener Faserhalbzeuge, die unter Druck und Temperatur mit thermoplastischen Materialien in Folien- und/oder Pulverform verpresst werden.
Als Matrixmaterial des Organoblechs können insbesondere alle Formen thermoplastischer Materialien eingesetzt werden. Typische Vertreter sind Polyamide, Polypropylene, Polyethylenterephthalate, Polyetheretherketone Polyphthalamide sowie thermoplastische Polyurethane.
Als Vorformling, der vorzugsweise das Fasermaterial und ein thermoplastisches Matrixmaterial umfasst, wird insbesondere ein Zwischenprodukt bezeichnet, das die Be- oder Verarbeitungszustände eines Faserhalbzeugs ab Zusammenkunft aller Endlosfaseranteile sowie deren Matrixanteile durchläuft. Bevorzugt durchläuft ein Vorformling die Be- oder Verarbeitungszustände am Endlosfaseranteil bis zu dessen Umformung.
Zur wirtschaftlichen Fertigung des Ausgangsmaterials der Platinen ist es üblich, in einem ersten Schritt ein großflächiges Fasermaterial als Plattenware herzustellen, aus dem anschließend die Platine herausgetrennt wird. Im Rahmen des Herstellungsschritts dieser Plattenware ist eine Zugspannung auf dem Fasermaterial zur Prozesskontrolle notwendig und erfordert eine durchgehende Faser über der Breite der Plattenware. Damit wird die Platine auf eine Faserarchitektur begrenzt, die über die gesamte Fläche konstant ist.
Fasern weisen in Ihrer Längsrichtung gesteigerte mechanische Eigenschaften auf. Daher wird bei der mechanischen Auslegung des Fasermaterials im Bauteil das Endlosfasermaterial auf und längs der Lastpfade des Produkts orientiert. Bauteile können Bereiche höherer Belastung aufweisen, gegen welche die Wandstärke, der Faseraufbau und der Verlauf ausgelegt werden. Somit ergeben sich in umgebenden Bereichen der Spannungsspitze überdimensionierte Wandstärken im Endlosfasermaterial, die aufgrund der Herstellungsweise der Platine nicht eingespart werden können. Die Kostenstruktur von Produkten dieser Werkstoffklasse legt jedoch einen sparsamen Einsatz des Grundmaterials (Organoblech) nahe. Die Folge ist somit ein Zielkonflikt aus Wirtschaftlichkeit und mechanischen Eigenschaften des Endlosfasermaterials.
Eine Lösung dieses Zielkonfliktes wird z.B. durch eine lokale Anpassung der Faserarchitektur erreicht, indem zusätzliche Verstärkungsfasern in Form von Faserbandstücken auf das Grundsubstrat aufgebracht werden. Zur Qualitätssicherung ist es allerdings wünschenswert, die Lage und die Länge der einzelnen Faserbandstücke auf dem Grundsubstrat zu überprüfen. Hier ergibt sich aufgrund der oftmals gleichen oder ähnlichen Materialien von Grundsubstrat und aufgebrachten Faserbandstücken ein geringer optischer Kontrast, der die optische Überprüfung, beispielsweise durch eine Bildverarbeitung, erschwert.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine optische Überprüfung der Faserbandstücke erleichtert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung gegeben.
Das eingangs genannte Verfahren zum Herstellen und/oder Überprüfen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei

– ein Grundsubstrat und mehrere Faserbandstücke bereitgestellt werden,
– aus dem Grundsubstrat und den Faserbandstücken ein Vorformling gebildet wird, indem die Faserbandstücke, insbesondere haftend, auf das Grundsubstrat aufgebracht werden, wonach der Vorformling, insbesondere unter Ausbildung des oder eines Bauteils, umgeformt wird,

– ein optischer Kontrast zwischen dem Grundsubstrat und den Faserbandstücken erhöht wird, indem die Faserbandstücke und/oder das Grundsubstrat, insbesondere vor dem Umformen des Vorformlings, mit oder jeweils mit einem oder wenigstens einem Kontrastmittel versehen wird oder werden, und
– nach dem Erhöhen des optischen Kontrasts die auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke optisch überprüft werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Kontrast zwischen dem Grundsubstrat und den Faserbandstücken durch das oder das wenigstens eine Kontrastmittel erhöht, sodass die Faserbandstücke von dem Grundsubstrat optisch besser unterschieden werden können. Hierdurch wird die optische Überprüfung der Faserbandstücke erleichtert.
Gemäß einer Ausgestaltung umfassen die Faserbandstücke jeweils eine thermoplastische Faserbandstückmatrix mit darin eingebetteten Faserbandstückfasern. Bevorzugt werden die Faserbandstücke im festen und/oder starren Zustand bereitgestellt, beispielsweise bei Raumtemperatur. Vorzugsweise sind die Faserbandstücke frei von einem Binder oder Schmelzkleber. Unter einem Binder werden in der Regel niedrigschmelzende thermoplastische Zusatzschichten verstanden, die eine klebende Wirkung durch Temperatureinwirkung entfalten. Vorteilhaft werden die Faserbandstücke an einer oder wenigstens einer vordefinierten Position und/oder an vordefinierten Positionen, bereitgestellt.
Gemäß einer Weiterbildung werden die Faserbandstücke, insbesondere vor ihrem Bereitstellen und/oder zu ihrem Bereitstellen von einem oder wenigstens einem Faserband abgetrennt und/oder abgeschnitten. Bevorzugt sind und/oder bilden die Faserbandstücke Stücke des oder des wenigstens einen oder eines oder wenigstens eines Faserbands. Insbesondere umfasst das oder das wenigstens eine Faserband eine thermoplastische Faserbandmatrix mit darin eingebetteten Faserbandfasern. Das Abtrennen und/oder Abschneiden der Faserbandstücke von dem oder dem wenigstens einen Faserband erfolgt bevorzugt im festen und/oder starren Zustand des oder des wenigstens einen Faserbands, beispielsweise bei Raumtemperatur. Insbesondere erfolgt das Abtrennen und/oder Abschneiden der Faserbandstücke mittels einer Schneideinrichtung, welche bevorzugt die Faserbandstücke zur Verfügung stellt. Der Schneideinrichtung wird vorzugsweise das oder das wenigstens eine Faserband oder werden bevorzugt mehrere Faserbänder zugeführt.
Die Faserbandstückmatrizes der Faserbandstücke bestehen bevorzugt aus demselben oder dem gleichen Material. Vorzugsweise ist und/oder bildet die Faserbandstückmatrix jedes Faserbandstücks ein Stück der Faserbandmatrix des oder des wenigstens einen Faserbands. Insbesondere bestehen die Faserbandstückmatrizes der Faserbandstücke aus dem Material der Faserbandmatrix.
Die Faserbandstückfasern der Faserbandstücke bestehen bevorzugt aus demselben oder dem gleichen Material. Vorzugsweise sind und/oder bilden die Faserbandstückfasern jedes Faserbandstücks Stücke der Faserbandfasern des oder des wenigstens einen Faserbands. Insbesondere bestehen die Faserbandstückfasern der Faserbandstücke aus dem Material der Faserbandfasern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Faserbandstücke Lastpfaden des oder eines herzustellenden Bauteils zugeordnet und entsprechend den Lastpfaden auf dem Grundsubstrat angeordnet und/oder positioniert.
Bevorzugt ist jedes Faserbandstück, insbesondere vor und/oder während seines Aufbringens auf das Grundsubstrat und/oder vor dem Umformen, eben oder überwiegend eben. Vorzugsweise ist das Grundsubstrat, insbesondere vor und/oder während des Aufbringens der Faserbandstücke auf das Grundsubstrat und/oder vor dem Umformen, eben oder überwiegend eben. Hierdurch lässt sich insbesondere das Bilden des Vorformlings vereinfachen, da keine komplizierten Geometrien auftreten. Bevorzugt ist der Vorformling, insbesondere vor dem Umformen, eben oder überwiegend eben.
Gemäß einer Ausgestaltung werden die Faserbandstücke derart auf das Grundsubstrat aufgebracht, dass die Faserbandstücke eine unterschiedliche Position und/oder eine unterschiedliche Orientierung aufweisen. Bevorzugt weisen die Faserbandstücke, insbesondere nach ihrem Aufbringen auf das Grundsubstrat und/oder vor dem Umformen und/oder während des Umformens und/oder nach dem Umformen, eine unterschiedliche Position und/oder eine unterschiedliche Orientierung auf. Somit lassen sich die Faserbandstücke insbesondere unterschiedlichen Lastpfaden des herzustellenden Bauteils zuordnen. Die Position und/oder die Orientierung jedes Faserbandstücks definiert insbesondere die oder eine Lage des jeweiligen Faserbandstücks.
Gemäß einer Weiterbildung weisen die Faserbandstücke unterschiedliche Längen auf. Somit lassen sich mit den Faserbandstücken insbesondere unterschiedliche Lastpfadlängen des herzustellenden Bauteils berücksichtigen. Vorzugsweise werden die Faserbandstücke in unterschiedlichen Längen von der Schneideinrichtung zur Verfügung gestellt.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Grundsubstrat eine thermoplastische Grundsubstratmatrix mit darin eingebetteten Grundsubstratfasern. Bevorzugt sind und/oder umfassen die Grundsubstratfasern Endlosfasern und/oder die Grundsubstratfasern liegen in Form von Endlosfasern vor. Insbesondere sind und/oder umfassen die Grundsubstratfasern Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern und/oder Naturfasern. Vorzugsweise ist oder bildet das Grundsubstrat eine Trägerschicht.
Vorzugsweise sind und/oder umfassen die Faserbandstückfasern Endlosfasern und/oder Stücke von Endlosfasern und/oder die Faserbandstückfasern liegen in Form von Endlosfasern und/oder in Form von Stücken von Endlosfasern vor. Insbesondere sind und/oder umfassen die Faserbandstückfasern Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern und/oder Naturfasern. Vorteilhaft sind und/oder umfassen die Faserbandfasern Endlosfasern und/oder die Faserbandfasern liegen in Form von Endlosfasern vor. Insbesondere sind und/oder umfassen die Faserbandfasern Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern und/oder Naturfasern.
Gemäß einer Ausgestaltung gehören die Grundsubstratmatrix und jede Faserbandstückmatrix der gleichen thermoplastischen Stoffgruppe an. Bevorzugt gehören die Grundsubstratmatrix und die Faserbandmatrix der gleichen thermoplastischen Stoffgruppe an.
Bevorzugt besteht die Grundsubstratmatrix aus Polyamid, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyetheretherketon, Polyphthalamid oder thermoplastischem Polyurethan. Insbesondere ist und/oder bildet das Grundsubstrat eine Platine und/oder einen Platinenzuschnitt und/oder ein Organoblech und/oder einen Organoblechzuschnitt. Beispielsweise wird das Grundsubstrat durch Zuschneiden einer Platine und/oder eines Organoblechs gebildet. Vorzugsweise besteht jede Faserbandstückmatrix aus Polyamid, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyetheretherketon, Polyphthalamid oder thermoplastischem Polyurethan. Vorteilhaft besteht die Faserbandmatrix aus Polyamid, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyetheretherketon, Polyphthalamid oder thermoplastischem Polyurethan.
Bevorzugt wird oder werden der Vorformling und/oder die Faserbandstücke und/oder das Grundsubstrat, insbesondere vor und/oder zu dem Umformen, derart erwärmt, dass der Vorformling, insbesondere vor und/oder zu dem Umformen, einen umformbaren Zustand annimmt. Vorteilhaft wird der Vorformling in dem oder einem umformbaren Zustand des Vorformlings, insbesondere zu dem oder einem Bauteil, umgeformt. Bevorzugt wird oder werden der Vorformling und/oder die Faserbandstücke und/oder das Grundsubstrat, insbesondere vor und/oder zu dem Umformen, derart erwärmt, dass die Grundsubstratmatrix und jede Faserbandstückmatrix erweichen und/oder schmelzen. Vorzugsweise wird oder werden der Vorformling und/oder die Faserbandstücke und/oder das Grundsubstrat, insbesondere vor und/oder zu dem Umformen, bis auf eine Temperatur erwärmt, die gleich oder größer als die Schmelztemperatur der Grundsubstratmatrix und gleich oder größer als die Schmelztemperatur jeder Faserbandstückmatrix ist.
Bevorzugt erhärten und/oder erstarren die Grundsubstratmatrix und die Faserbandstückmatrizes nach dem Umformen, insbesondere durch Abkühlen. Vorzugsweise erhärtet und/oder erstarrt der durch die Umformung des Vorformlings gebildete Körper und/oder das durch die Umformung des Vorformlings gebildete Bauteil, insbesondere durch Abkühlen.
Gemäß einer Weiterbildung erfolgt die Umformung des Vorformlings mittels eines Umformformwerkzeugs. Bevorzugt umfasst das Umformwerkzeug eine Kavität. Vorzugsweise wird der Vorformling, insbesondere vor dem Umformen und/oder zu dem Umformen, in die Kavität eingebracht. Bevorzugt wird der Vorformling, insbesondere mittels des Umformwerkzeugs, in die Kavität eingeformt. Der Vorformling kann z.B. auch als Zwischenprodukt bezeichnet werden. Das Erhärten und/oder Erstarren erfolgt bevorzugt in dem Umformwerkzeug und/oder in dessen Kavität.
Durch das Erweichen und/oder Schmelzen der Faserbandstückmatrizes und der Grundsubstratmatrix, gehen die auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke mit dem Grundsubstrat vorzugsweise eine stoffschlüssige Verbindung ein. Bevorzugt gehen das Grundsubstrat und die Faserbandstücke, insbesondere während des Erhärtens und/oder Erstarrens des Bauteils und/oder des umgeformten Vorformlings, eine stoffschlüssige Verbindung miteinander ein. Bevorzugt sind das Grundsubstrat und die Faserbandstücke bei dem hergestellten Bauteil stoffschlüssig miteinander verbunden.
Vorteilhaft wird in der Kavität des Umformwerkzeugs und/oder in einer separaten Kavität an den durch die Umformung des Vorformlings gebildeten Körper und/oder an das durch die Umformung des Vorformlings gebildete Bauteil eine thermoplastische Spritzgussmasse, vorzugsweise zum Vorsehen wenigstens eines ergänzenden Elements, angespritzt. Somit lässt sich insbesondere wenigstens ein ergänzendes Element oder das wenigstens eine ergänzende Element an dem Körper und/oder dem Bauteil vorsehen. Die Spritzgussmasse ist z.B. frei von Verstärkungsfasern. Bevorzugt umfasst und/oder enthält die Spritzgussmasse aber Verstärkungsfasern. Erfolgt das Anspritzen in der Kavität des Umformwerkzeugs, so umfasst der Schritt des Erhärtens und/oder Erstarrens bevorzugt auch das Erhärten und/oder Erstarren der Spritzgussmasse.
Gemäß einer Ausgestaltung wird oder werden die Faserbandstücke und/oder das Grundsubstrat vor dem Aufbringen der Faserbandstücke auf das Grundsubstrat mit oder jeweils mit dem wenigstens einen Kontrastmittel versehen. Somit kann vermieden werden, dass das Grundsubstrat versehentlich mit dem Kontrastmittel der Faserbandstücke versehen wird und/oder die Faserbandstücke versehentlich mit dem Kontrastmittel des Grundsubstrats versehen werden.
Das oder das wenigstens eine Kontrastmittel kann jeder Faserbandstückmatrix und/oder der Grundsubstratmatrix beigemengt werden. Bevorzugt wird das oder das wenigstens eine Kontrastmittel aber auf die Faserbandstücke und/oder auf das Grundsubstrat aufgebracht. Somit können für das Faserband und/oder für die Faserbandstücke und/oder für das Grundsubstrat insbesondere auf dem Markt verfügbare Standardmaterialien oder -produkte verwendet werden.
Das Grundsubstrat und das oder das wenigstens eine Kontrastmittel, mit dem insbesondere die Faserbandstücke versehen werden und/oder das insbesondere auf die Faserbandstücke aufgebracht wird, sind vorzugsweise optisch unterschiedlich und/oder weisen vorzugsweise optisch unterschiedliche Eigenschaften auf und/oder die Faserbandstücke und das oder das wenigstens eine Kontrastmittel, mit dem insbesondere das Grundsubstrat versehen wird und/oder das insbesondere auf das Grundsubstrat aufgebracht wird, sind vorzugsweise optisch unterschiedlich und/oder weisen vorzugsweise optisch unterschiedliche Eigenschaften auf.
Das oder das wenigstens eine Kontrastmittel bewirkt bevorzugt eine Abdunkelung oder Aufhellung der Faserbandstücke gegenüber dem Grundsubstrat und/oder des Grundsubstrats gegenüber den Faserbandstücken und/oder eine unterschiedliche Farbgebung von Grundsubstrat und Faserbandstücken. Beispielsweise ist das oder das wenigstens eine Kontrastmittel ein Farbmittel und/oder ein farbgebender Stoff. Als Farbe des oder des wenigstens einen Kontrastmittels ist insbesondere jede Farbe möglich, einschließlich schwarz, weiß und/oder grau.
Gemäß einer Weiterbildung werden die Faserbandstücke jeweils mit einem ersten Kontrastmittel versehen, wobei das Grundsubstrat mit einem zweiten Kontrastmittel versehen wird. Das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel sind vorzugsweise unterschiedlich und/oder optisch unterschiedlich und/oder weisen optisch unterschiedliche Eigenschaften auf. Beispielsweise weisen das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel unterschiedliche Helligkeiten und/oder unterschiedliche Farben auf. Bevorzugt wird das erste Kontrastmittel auf die Faserbandstücke aufgebracht. Vorteilhaft wird das zweite Kontrastmittel auf das Grundsubstrat aufgebracht. Das wenigstens eine Kontrastmittel umfasst somit bevorzugt zwei oder wenigstens zwei unterschiedliche und/oder optisch unterschiedliche Kontrastmittel, nämlich insbesondere das erste Kontrastmittel und das zweite Kontrastmittel.
Gemäß einer Ausgestaltung erfolgt das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke vor dem Umformen des Vorformlings. Vorteilhaft ist jedes Faserbandstück und/oder das Grundsubstrat und/oder der Vorformling während des optischen Überprüfens eben oder überwiegend eben. Somit ist es möglich, die zu überprüfende Geometrie relativ einfach zu halten, was das optische Überprüfen erleichtert.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke das Überprüfen einer oder zumindest einer optisch erfassbaren Eigenschaft jedes Faserbandstücks. Bevorzugt wird dazu die oder die zumindest eine optisch erfassbare Eigenschaft jedes Faserbandstücks, insbesondere optisch, erfasst, quantifiziert und mit einem oder wenigstens einem vorgegebenen Wert für das jeweilige Faserbandstück verglichen. Die oder die zumindest eine optisch erfassbare Eigenschaft jedes Faserbandstücks ist oder umfasst z.B. dessen Länge und/oder dessen Lage auf dem Grundsubstrat.
Bevorzugt erfolgt das optische Überprüfen der Faserbandstücke unter Berücksichtigung von Lastpfaden oder der Lastpfade des oder eines herzustellenden Bauteils. Vorteilhaft umfasst das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke das Überprüfen der Lage der Faserbandstücke und/oder jedes Faserbandstücks auf dem Grundsubstrat. Bevorzugt wird dazu die Lage jedes Faserbandstücks auf dem Grundsubstrat, insbesondere optisch, erfasst und mit einer vorgegebenen Lage für das jeweilige Faserbandstück verglichen. Vorzugsweise umfasst das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke das Überprüfen der Länge der Faserbandstücke und/oder jedes Faserbandstücks. Bevorzugt wird dazu die Länge jedes Faserbandstücks, insbesondere optisch, erfasst und mit einer vorgegebenen Länge für das jeweilige Faserbandstück verglichen. Das Überprüfen von Lage und/oder Länge der Faserbandstücke ist insbesondere eine Möglichkeit, die Lastpfade zu berücksichtigen.
Die Lage jedes Faserbandstücks umfasst bevorzugt dessen Position und/oder Orientierung. Vorteilhaft umfasst das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke somit das Überprüfen der Position der Faserbandstücke und/oder jedes Faserbandstücks auf dem Grundsubstrat. Bevorzugt wird dazu die Position jedes Faserbandstücks auf dem Grundsubstrat, insbesondere optisch, erfasst und mit einer vorgegebenen Position für das jeweilige Faserbandstück verglichen. Ferner umfasst das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke vorzugsweise das Überprüfen der Orientierung der Faserbandstücke und/oder jedes Faserbandstücks auf dem Grundsubstrat. Bevorzugt wird dazu die Orientierung jedes Faserbandstücks auf dem Grundsubstrat, insbesondere optisch, erfasst und mit einer vorgegebenen Orientierung für das jeweilige Faserbandstück verglichen. Die oder die zumindest eine optisch erfassbare Eigenschaft jedes Faserbandstücks ist oder umfasst z.B. dessen Position und/oder dessen Orientierung und/oder dessen Länge und/oder dessen Lage auf dem Grundsubstrat.
Ergibt die optische Überprüfung, dass die Faserbandstücke vorgegebenen Anforderungen genügen, wird insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren fortgeführt und/oder der Vorformling weiter verarbeitet. Ergibt die optische Überprüfung hingegen, dass die Faserbandstücke den vorgegebenen Anforderungen nicht genügen, wird insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren abgebrochen und/oder der Vorformling aussortiert. Die vorgegebenen Anforderungen sind oder umfassen bevorzugt für jedes Faserbandstück den oder den wenigstens einen vorgegebenen Wert und/oder die vorgegebene Lage und/oder die vorgegebene Länge und/oder die vorgegebene Position und/oder die vorgegebene Orientierung. Vorteilhaft umfasst der oder der wenigstens eine vorgegebene Wert die vorgegebene Lage und/oder die vorgegebene Länge und/oder die vorgegebene Position und/oder die vorgegebene Orientierung.
Gemäß einer Weiterbildung erfolgt das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat aufgebrachten Faserbandstücke durch Bildauswertung, die vorzugsweise eine elektronische Bildauswertung ist. Eine elektronische Bildauswertung ermöglicht insbesondere die Automatisierung des optischen Überprüfens und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Bildauswertung wird insbesondere mittels eines Bildverarbeitungssystems durchgeführt, welches vorzugsweise ein elektronisches Bildverarbeitungssystem ist. Das Bildverarbeitungssystem umfasst bevorzugt eine oder wenigstens eine Kamera, die vorzugsweise eine Digitalkamera ist. Ferner umfasst das Bildverarbeitungssystems bevorzugt eine Auswerteinrichtung, die vorzugsweise eine elektronische Auswerteeinrichtung ist. Die Auswerteeinrichtung umfasst bevorzugt eine Recheneinheit, wie z.B. einen Digitalrechner. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung mit der Kamera, insbesondere elektrisch, verbunden. Mittels der Auswerteeinrichtung können insbesondere von der Kamera aufgenommene Bilder ausgewertet und/oder verarbeitet werden. Vorteilhaft erfolgt die Bildauswertung mittels eines in der Auswerteinheit ablaufenden Programms (Software). Insbesondere wird das Programm von der Recheneinheit und/oder dem Digitalrechner ausgeführt. Bevorzugt umfasst die Auswerteeinrichtung und/oder die Recheneinheit und/oder der Digitalrechner einen Speicher, der insbesondere ein elektronischer Speicher ist. In dem Speicher sind oder werden vorzugsweise die vorgegebenen Anforderungen gespeichert. Insbesondere sind oder werden in der Auswerteeinrichtung und/oder in dem Speicher für jedes Faserbandstück der oder der wenigstens eine vorgegebene Wert und/oder die vorgegebene Lage und/oder die vorgegebene Länge und/oder die vorgegebene Position und/oder die vorgegebene Orientierung gespeichert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt mittels einer Fertigungsanlage durchgeführt. Die Fertigungsanlage umfasst insbesondere die Schneideinrichtung und/oder das Umformwerkzeug und/oder das Bildverarbeitungssystem. Vorteilhaft werden der Fertigungsanlage ebene Endlosfaserbänder zugeführt, die in Abhängigkeit der Lastanforderung zu unterschiedlichen Längen von der Schneideinrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere ein Bauteil hoher geometrischer Komplexität herstellbar. Bevorzugt werden zwei thermoplastisch vorkonsolidierte Fasermaterialien (Grundsubstrat, Faserbandstücke) zu einem Zwischenprodukt (Vorformling) vorgefertigt und anschließend umgeformt. Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung die Steigerung der Werkstoffanisotropie durch lastpfadorientierte Faserteilstücke (Faserbandstücke).
Insbesondere wird bei dem erfindungsmäßen Verfahren die Kontrastierung durch das Aufbringen von dem oder dem wenigstens einen Kontrastmittel auf beispielsweise die Faserbandstücke und/oder oder auf das Grundsubstrat soweit erhöht, dass eine optische Überprüfung und/oder Kontrolle erleichtert wird.
Bevorzugt betrifft die Erfindung ferner ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil aus Faserverbundwerkstoff.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Faserband und mehrere von dem Faserband abgetrennte Faserbandstücke,
2 eine Draufsicht auf die Faserbandstücke,
3 eine Draufsicht auf ein aus den Faserbandstücken gebildetes Faserbandmuster,
4 eine Draufsicht auf ein Grundsubstrat,
5 eine Draufsicht auf einen aus dem Grundsubstrat und dem Faserbandmuster gebildeten Vorformling,
6 eine schematische Ansicht des Vorformling und eines Bildverarbeitungssystems zum optischen Überprüfen der Faserbandstücke,
7 eine schematische Schnittansicht eines Umformwerkzeugs zum Umformen des Vorformlings und
8 eine Seitenansicht eines durch die Umformung des Vorformlings gebildeten Bauteils.
Aus 1 ist eine Draufsicht auf ein lediglich teilweise dargestelltes Faserband 1 ersichtlich, welches eine thermoplastische Faserbandmatrix 2 und darin eingebettete Faserbandfasern 3 in Form von Endlosfasern umfasst, die lediglich schematisch angedeutet sind. Von dem Faserband 1 werden mittels einer schematisch angedeuteten Schneideinrichtung 4 mehrere ebene oder flächige Faserbandstücke 5 und 6 abgetrennt und an einer vordefinierten Position bereitgestellt, was aus 2 ersichtlich ist, die eine Draufsicht auf die bereitgestellten Faserbandstücke 5 und 6 zeigt. Die im festen Zustand vorliegenden Faserbandstücke 5 und 6 sind unterschiedlich lang und weisen jeweils eine von der Faserbandmatrix 2 abgetrennte Faserbandstückmatrix 7 mit darin eingebetteten Faserbandstückfasern 8 auf, die von den Faserbandfasern 3 abgetrennt und lediglich schematisch angedeutet sind. Die bereitgestellten Faserbandstücke 5 und 6 werden im festen Zustand mittels einer schematisch angedeuteten Handhabungseinrichtung 9 aufgenommen und zu einem ebenen oder flächigen Faserbandmuster 10 angeordnet, welches in Draufsicht aus 3 ersichtlich ist. In dem Faserbandmuster 10 weisen die Faserbandstücke 5 und 6 eine unterschiedliche Position und eine unterschiedliche Orientierung auf. Alternativ ist es z.B. auch möglich, dass die Faserbandstücke 5 und 6 in dem Faserbandmuster 10 gleich orientiert sind und/oder dass die Faserbandstücke bereichsweise oder zumindest bereichsweise überlappen. Bevorzugt werden die Faserbandstücke 5 und 6 mittels der Handhabungseinrichtung 9 auf eine Temperatur erwärmt, die unterhalb der Schmelztemperatur jeder Faserbandstückmatrix 7 liegt. Die Handhabungseinrichtung 9 weist dazu insbesondere eine schematisch angedeutete Heizung 24 auf.
Ferner wird ein ebenes oder flächiges Grundsubstrat 11 bereitgestellt, das aus 4 ersichtlich ist und eine thermoplastische Grundsubstratmatrix 12 mit darin eingebetteten Grundsubstratfasern 13 in Form von Endlosfasern umfasst, die lediglich schematisch angedeutet sind. Das Grundsubstrat 11 ist insbesondere ein Organoblech oder Organoblechzuschnitt. Mittels einer schematisch angedeuteten Heizeinrichtung 14 wird das Grundsubstrat 11 derart erhitzt, dass seine Temperatur über der Schmelztemperatur der Faserbandstückmatrizes 7 und über der Schmelztemperatur der Grundsubstratmatrix 12 liegt, sodass die Grundsubstratmatrix 12 schmilzt. Anschließend wird das im festen Zustand vorliegende Faserbandmuster 10 als Ganzes von der Handhabungseinrichtung 9 auf das erhitzte Grundsubstrat 11 aufgebracht, was aus 5 ersichtlich ist. Da das Faserbandmuster 10 und/oder die Faserbandstücke 5 und 6 des Faserbandmusters 10 im direkten Kontakt mit dem erhitzten Grundsubstrat 11 stehen, werden die Faserbandstückmatrizes 7 durch das erhitzte Grundsubstrat 11 geschmolzen. Das Grundsubstrat 11 mit dem aufgebrachten Faserbandmuster 10 bildet einen Vorformling 15, der sich in einem umformbaren Zustand befindet, da sowohl die Grundsubstratmatrix 12 als auch die Faserbandstückmatrizes 7 geschmolzen sind. Dabei haften die Faserbandstücke 5 und 6 durch das Schmelzen der Faserbandstückmatrizes 7 an dem Grundsubstrat 11.
Gemäß einer Alternative werden die Faserbandstücke 5 und 6 und/oder das Faserbandmuster 10 in einem festen Zustand des Grundsubstrats 11 auf das Grundsubstrat 11 aufgebracht. Auch in diesem Fall bildet das Grundsubstrat 11 mit den aufgebrachten Faserbandstücken 5 und 6 und/oder dem aufgebrachten Faserbandmuster 10 einen Vorformling 15, der sich allerdings in einem festen oder zumindest teilweise festen Zustand befindet. Damit die Faserbandstücke 5 und 6 nicht auf dem Grundsubstrat 11 verrücken, wird vorzugsweise ein Binder oder Kleber, wie z.B. ein Schmelzkleber, zum Einsatz gebracht, sodass die Faserbandstücke 5 und 6 auf dem Grundsubstrat 11 haften. Gemäß der Alternative wird der Vorformling 15 erhitzt und somit in einen umformbaren Zustand überführt, in dem insbesondere die Grundsubstratmatrix 12 und die Faserbandstückmatrizes 7 der Faserbandstücke 5 und 6 geschmolzen sind. Gemäß der Alternative ist es auch möglich, die Faserbandstücke 5 und 6 erst beim Aufbringen auf das Grundsubstrat 11 zu dem Faserbandmuster 10 anzuordnen. Ferner ist es möglich, die Faserbandstücke 5 und 6 vor oder zu dem Aufbringen auf das Grundsubstrat 11 zu erhitzen, sodass die Faserbandmatrix 7 jedes Faserbandstücks beim Aufbringen auf das Grundsubstrat 11 erweicht oder geschmolzen ist. Bevorzugt haften die Faserbandstücke 5 und 6 dann bereits an dem Grundsubstrat 11, sodass z.B. auf einen Binder oder Kleber verzichtet werden kann.
Der Vorformling 15 wird nun einer optischen Kontrolle unterzogen, in welcher die Lage und die Länge jedes Faserbandstücks mittels einer elektronischen Bildauswertung optisch überprüft werden. Zur Durchführung der Bildauswertung ist ein Bildverarbeitungssystem 28 vorgesehen, welches in schematischer Ansicht zusammen mit dem Vorformling aus 6 ersichtlich ist. Das Bildverarbeitungssystem 28 umfasst eine Digitalkamera 29, mittels welcher zumindest der Bereich des Vorformlings 15 erfassbar ist, in welchem die Faserbandstücke 5 und 6 angeordnet sind. Bevorzugt liegt aber die gesamte Oberfläche 30 des Vorformlings 15, auf der die Faserbandstücke 5 und 6 angeordnet sind, im Erfassungsbereich 31 der Digitalkamera 29, der durch gestrichelte Linien schematisch angedeutet ist. Ferner umfasst das Bildverarbeitungssystem 28 eine elektrisch mit der Digitalkamera 29 verbundene Auswerteinrichtung 32, mittels welcher von der Digitalkamera 29 aufgenommene Bilder elektronisch verarbeitet und/oder ausgewertet werden können. Um den Kontrast zwischen dem Grundsubstrat 11 und den Faserbandstücken 5 und 6 zu erhöhen und somit die Bildauswertung zu erleichtern, wird vor der optischen Überprüfung auf die Faserbandstücke 5 und 6 ein Kontrastmittel 33 aufgebracht. Das Aufbringen des Kontrastmittels 33 auf die Faserbandstücke 5 und 6 kann vor oder nach dem Aufbringen der Faserbandstücke 5 und 6 auf das Grundsubstrat 11 erfolgen. Insbesondere kann das Kontrastmittel 33 auch schon auf das Faserband 1 aufgebracht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Abwandlung wird ergänzend oder alternativ auf das Grundsubstrat 11 ein Kontrastmittel 34 aufgebracht. In diesem Fall kann das Kontrastmittel 33 entweder entfallen oder das Kontrastmittel 34 ist zusätzlich zu dem Kontrastmittel 33 vorgesehen. Sind beide Kontrastmittel 33 und 34 vorhanden, so weisen diese insbesondere optisch unterschiedliche Eigenschaften auf. Ferner wird in diesem Fall das Kontrastmittel 33 insbesondere als erstes Kontrastmittel und das Kontrastmittel 34 insbesondere als zweites Kontrastmittel bezeichnet. Das Aufbringen des Kontrastmittels 34 auf das Grundsubstrat 11 kann vor oder nach dem Aufbringen der Faserbandstücke 5 und 6 auf das Grundsubstrat 11 erfolgen.
Ergibt die optische Überprüfung, dass die Lage und die Länge jedes Faserbandstücks vorgegebenen Anforderungen genügen, wird der Vorformling weiter verarbeitet. Ergibt die optische Überprüfung hingegen, dass die Lage und die Länge jedes Faserbandstücks den vorgegebenen Anforderungen nicht genügen, wird der Vorformling 15 aussortiert. Die vorgegebenen Anforderungen umfassen für jedes Faserbandstück eine vorgegeben Lage auf dem Grundsubstrat 11 sowie eine vorgegebene Länge und sind in der Auswerteinrichtung 32 gespeichert.
Sofern die Faserbandstücke den vorgegebenen Anforderungen genügen, wird der Vorformling 15 nach der optischen Überprüfung weiter verarbeitet. Zur Weiterverarbeitung wird der Vorformling 15, solange er sich im umformbaren Zustand befindet und/oder nachdem er in den umformbaren Zustand überführt worden ist, mittels der Handhabungseinrichtung 9 oder mittels einer anderen Handhabungseinrichtung einem Umformwerkzeug 17 zugeführt, welches ein Oberwerkzeug 18 und ein Unterwerkzeug 19 umfasst, in dem eine Kavität 16 vorgesehen ist. Insbesondere wird der Vorformling 15 dabei in die Kavität 16 des Umformwerkzeugs 17 eingebracht, welches in schematischer Schnittdarstellung aus 7 ersichtlich ist. Dabei ist der in die Kavität 16 einzubringende Vorformling 15 schematisch dargestellt. Das Oberwerkzeug 18 weist einen Vorsprung 20 auf, der in die Kavität 16 eintauchen kann. Die Werkzeuge 18 und 19 werden nun zusammengefahren, sodass der Vorsprung 20 in die Kavität 16 eintaucht und der zwischen den Werkzeugen 18 und 19 angeordnete Vorformling 15, insbesondere in der Kavität 16, unter Druck zu einem Bauteil 21 umgeformt wird.
Ergänzend ist es möglich, in der Kavität 16 zusätzliche Elemente an das Bauteil 21 anzuspritzen, indem eine thermoplastische Spritzgussmasse 25 in die Kavität 16 eingespritzt wird. Dafür kann in dem Umformwerkzeug 17 wenigstens ein schematisch angedeuteter und von außen zugänglicher Durchgang 22 zur Kavität 16 vorgesehen sein, durch welchen hindurch die Spritzgussmasse 25 in die Kavität 16 eingebracht wird. Die Spritzgussmasse 25 ist mit Verstärkungsfasern 26 versetzt und von einem mit dem Umformwerkzeug 17 verbundenen Behälter 27 aufgenommen.
Anschließend kühlt das Bauteil 21 ab und verfestigt sich. Das feste Bauteil 21 wird dem Umformwerkzeug 17 entnommen und ist in Einzeldarstellung aus 8 ersichtlich. Ferner ist ein durch das Anspritzen der Spritzgussmasse 25 ausgebildetes Element 23 an dem Bauteil 21 angedeutet.
Bezugszeichenliste

1: Faserband
2: Faserbandmatrix
3: Faserbandfasern
4: Schneideinrichtung
5: Faserbandstück
6: Faserbandstück
7: Faserbandstückmatrix
8: Faserbandstückfasern
9: Handhabungseinrichtung
10: Faserbandmuster
11: Grundsubstrat
12: Grundsubstratmatrix
13: Grundsubstratfasern
14: Heizeinrichtung
15: Vorformling
16: Kavität des Umformwerkzeugs
17: Umformwerkzeug
18: Oberwerkzeug des Umformwerkzeugs
19: Unterwerkzeug des Umformwerkzeugs
20: Vorsprung des Oberwerkzeugs
21: Bauteil
22: Durchgang
23: zusätzliches Element am Bauteil
24: Heizung der Handhabungseinrichtung
25: Spritzgussmasse
26: Verstärkungsfasern in Spritzgussmasse
27: Behälter für Spritzgussmasse
28: Bildverarbeitungssystem
29: Kamera des Bildverarbeitungssystems
30: Faserbandstücke aufweisende Oberfläche des Vorformlings
31: Erfassungsbereich der Kamera
32: Auswerteeinrichtung des Bildverarbeitungssystems
33: Kontrastmittel / erstes Kontrastmittel
34: zweites Kontrastmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016109728 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen und/oder Überprüfen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei ein Grundsubstrat (11) und mehrere Faserbandstücke (5, 6) bereitgestellt werden, aus dem Grundsubstrat (11) und den Faserbandstücken (5, 6) ein Vorformling (15) gebildet wird, indem die Faserbandstücke (5, 6) auf das Grundsubstrat (11) aufgebracht werden, wonach der Vorformling (15) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Kontrast zwischen dem Grundsubstrat (11) und den Faserbandstücken (5, 6) erhöht wird, indem die Faserbandstücke (5, 6) und/oder das Grundsubstrat (11) mit oder jeweils mit wenigstens einem Kontrastmittel (33) versehen wird oder werden, und nach dem Erhöhen des optischen Kontrasts die auf das Grundsubstrat (11) aufgebrachten Faserbandstücke (5, 6) optisch überprüft werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbandstücke (5, 6) und/oder das Grundsubstrat (11) vor dem Aufbringen der Faserbandstücke (5, 6) auf das Grundsubstrat (11) mit oder jeweils mit dem wenigstens einen Kontrastmittel (33) versehen wird oder werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kontrastmittel (33) auf die Faserbandstücke (5, 6) und/oder auf das Grundsubstrat (11) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat (11) aufgebrachten Faserbandstücke (5, 6) vor dem Umformen des Vorformlings (15) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat (11) aufgebrachten Faserbandstücke (5, 6) das Überprüfen zumindest einer optisch erfassbaren Eigenschaft jedes Faserbandstücks umfasst, welche dazu optisch erfasst, quantifiziert und mit wenigstens einem vorgegebenen Wert für das jeweilige Faserbandstück verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat (11) aufgebrachten Faserbandstücke (5, 6) das Überprüfen der Lage jedes Faserbandstücks auf dem Grundsubstrat (11) und/oder das Überprüfen der Länge jedes Faserbandstücks umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Überprüfen der auf das Grundsubstrat (11) aufgebrachten Faserbandstücke (5, 6) durch elektronische Bildauswertung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbandstücke (5, 6) derart auf das Grundsubstrat aufgebracht werden, dass die Faserbandstücke (5, 6) eine unterschiedliche Position und/oder eine unterschiedliche Orientierung aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbandstücke (5, 6) unterschiedliche Längen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbandstücke (5, 6) jeweils eine thermoplastische Faserbandstückmatrix (7) mit darin eingebetteten Faserbandstückfasern (8) umfassen und das Grundsubstrat (11) eine thermoplastische Grundsubstratmatrix (12) mit darin eingebetteten Grundsubstratfasern (13) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundsubstratfasern (13) und/oder die Faserbandstückfasern (8) Endlosfasern sind oder umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundsubstratmatrix (12) und jede Faserbandstückmatrix (7) der gleichen thermoplastischen Stoffgruppe angehören.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformung des Vorformlings (15) mittels eines Umformformwerkzeugs (17) erfolgt.