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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen und/oder Aushärten eines mehrschichtigen Vorformlings, insbesondere im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen mit einem derartigen Vorformling nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zum Umformen und/oder Aushärten eines mehrschichtigen Vorformlings, insbesondere im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Formteilen mit einem derartigen Vorformling nach dem Oberbegriff des Anspruches 10.
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Im Zuge der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, auch Faserverbundbauteile genannt, ist insbesondere in der industriellen Anwendung das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Moulding-Verfahren) gängige Praxis. Der gesamte Herstellungsprozess bis zu einem verwendungsfähigen Kunststoffbauteile besteht aus mehreren nachfolgend ablaufenden Einzelprozessen. In einem ersten Verfahrensschritt werden Faserhalbzeuge (Preforms/Prepregs) hergestellt. In diesem Preform-Prozess werden in der Regel mehrschichtige Gewebe oder Fasergelege üblicherweise in 2D (zweidimensional), also im Wesentlichen in einer Ebene, zusammengefügt, so dass das Faserhalbzeug im Wesentlichen bereits die notwendigen äußeren Konturen und teilweise auch bereits besondere und/oder mehrfache Schichten oder Schichtdicken aufweist. Vorzugsweise wird ein Bindemittel in die Trennebenen oder in das Gelege selbst eingebracht, das nach seiner Aktivierung und/oder Aushärtung zu einer Fixierung der Schichten zueinander und somit zur Festlegung einer festgelegten 3D-Form führt, welche in einem Umformwerkzeug (Umformwerkzeug, Drapierwerkzeug oder ähnliches) im weiteren Verlauf des Preform-Prozess geformt wird. Je nach Bedarf wird das Faserhalbzeug noch nachgeschnitten oder an vorgegebenen Stellen ausgestanzt um eine noch präzisere Kontur zu erhalten. Nach dem Einlegen des Faserhalbzeugs in das Werkzeug der Presse werden die Werkzeughälften geschlossen und das notwendige Harz in die Kavität des Werkzeuges injiziert, wobei das Harz die Faserstruktur des Faserhalbzeuges imprägniert, die Fasern einschließt und fest in die Matrix einbindet. Nach dem Aushärten des Harzes kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil entformt werden.
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Neben dem RTM-Verfahren selbst, legt bereits die Herstellung eines Faserhalbzeuges den Grundstein für den Erfolg der Herstellung eines Kunststoffbauteiles. Das Ziel ist es nach der Formgebung des Vorformlings aus einem biegeschlaffen Material einen Vorformling zu erhalten, der biegesteif genug ist um vollständig automatisiert und prozeßsicher in das Werkzeug einer RTM-Presse eingelegt werden zu können oder auch bis zur weiteren Verwendung transportiert und abgestapelt werden kann. Zur Herstellung, Umformung und Fixierung des Vorformlings gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten im einschlägigen Stand der Technik.
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Für die 3D-Umformung von mehrlagigen zweidimensionalen Zuschnitten aus Fasergeweben sind die folgenden Verfahrensschritte bekannt: Es werden Fasergewebe oder -gelege von einer Rolle abgewickelt und je nach Bedarf aus mehreren verschiedenen Geweben oder Gelegen, Formen und Größen zu einem Fasergewebestapel zusammengelegt. Dabei kann es notwendig sein, die Außen- und ggf. Innenkontur entsprechend einem Schnittmuster des Vorformlings respektive des Kunststoffformteils zu bearbeiten oder zuzuschneiden. Das Schnittmuster wird dabei aus einer Abwicklung des Vorformlings, oder des Endbauteils erzeugt. Vorzugsweise wird dann der erstellte, im Wesentlichen ebene Fasergewebestapel mittels einer Drapiervorrichtung drapiert, respektive in eine dreidimensionale Vorform umgeformt. Um eben aus einem biegeschlaffen Fasergewebe einen, im Wesentlichen biegesteifen Vorformling zu erhalten, ist es meist notwendig, dass zwischen die einzelnen Lagen ein Bindemittel eingebracht und anschließend ausgehärtet wird.
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Dabei werden Auftragstechniken für feste oder geschmolzene Klebstoffe und für flüssige Klebstoffe unterschieden:
Eine Möglichkeit für die Applikation des Binders in fester Form ist das Bindervlies. Diese überwiegend thermoplastischen Wirrfadenmatten werden auf die gewünschte Form zugeschnitten, manuell oder per Roboter in den Lagenaufbau integriert. Pulverbinder oder Bindergranulate (überwiegend Epoxidharze mit thermoplastischem Charakter, aber auch konventionelle Thermoplaste möglich) können in fester oder geschmolzener Form aufgetragen werden. Bei der Verarbeitung in festem Zustand wird der Binder durch eine geeignete Streutechnik auf das Halbzeug aufgebracht und durch anschließendes Aufschmelzen auf dem Substrat fixiert. Auf diese Weise hergestelltes Halbzeugmaterial kann von den meisten Halbzeugherstellern als Rollenware geliefert werden. Nach dem Abrollen, dem Zuschnitt und der Bildung des Lagenaufbaus wird dieser erhitzt und der an den Einzellagen haftende Klebstoff verbindet die Schichten untereinander.
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Ist nun gewünscht, ein 3D-Halbzeug aus dem Lagenaufbau zu formen, wird dieser in einer Drapierstation in eine endkonturnahe 3D-Form umgeformt und in dieser Form fixiert. Alternativ zum Drapieren des gesamten Lagenaufbaus in einem Prozessschritt können auch einzeln bebinderte (mit Bindemittel versehene) Fasergelegezuschnitte einzeln nacheinander in einer Drapierform drapiert werden.
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In unvorteilhafter Weise erfolgt das Heizen und Kühlen der Drapierform nach dem Stand der Technik durch das hindurchblasen von Warm- bzw. Kaltluft. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass eine Vielzahl von Schichten, respektive Fasergelegen, speziell bei einem Mehrlagenaufbau, nur schlecht luftdurchlässig sind und bei der Verwendung von beispielsweise pulverförmigen Bindemittel der Luftstrom das Pulver mit aus den Schichten bläst. Ferner ist es bekannt, mittels öl- und/oder wasserbeheizten Drapierformen, die gesamte Form aufzuheizen und anschließend wieder abzukühlen. Dieses Verfahren ist aber sehr träge und erfordert einen hohen Energieaufwand. Kurze Zykluszeiten sind damit nicht zu erreichen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung Zu schaffen, mit denen, gegenüber dem Stand der Technik in einer einfachen und schnellen Art und Weise, das Bindemittel innerhalb eines vorzugsweise mehrschichtigen Vorformlings in einer Drapierform aufschmelzbar und aushärtbar ist, um eine Fixierung des umgeformten Vorformlings zu erreichen.
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Im Folgenden werden die Begriffe Matrize, Patrize und Drapierform im Wesentlichen als kongruente Begriffe verwendete, wobei Drapierform auch als die Kombination aus Matrize und Patrize angesehen werden kann. Unter Temperiersysteme versteht die Erfindung Vorrichtungen zum Heizen und/oder Kühlen, die entsprechend dem Bedarf ausgelegt oder angewendet werden. Es ist dem Fachmann verständlich, dass aus einem im wesentlichen ebenen Flächengelege eine Drapierform, sei es einseitig oder zweiseitig (Matrize/Patrize) ausgeführt, notwendig ist, die die notwendige Umformung durchführt und für die Aufheizung und Abkühlung sorgt.
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Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren besteht dabei darin, dass zum Temperieren der Schichten in der Matrize und/oder der Patrize im Wesentlichen zumindest zwei unterschiedliche Temperiersysteme verwendet werden, wobei das näher an den Schichten angeordnete Temperiersystem elektrisch und das weiter entfernte Temperiersystem mit temperierten Fluiden betrieben wird.
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Die Lösung der Aufgabe für eine Vorrichtung besteht darin, dass zum Temperieren der Schichten in der Matrize und/oder der Patrize im Wesentlichen zumindest zwei unterschiedliche Temperiersysteme angeordnet sind, wobei das näher an den Schichten angeordnete Temperiersystem elektrisch und das weiter entfernte Temperiersystem mit temperierbaren Fluiden ausgeführt ist.
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Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignet, kann aber auch eigenständig betrieben werden. In vorteilhafter Weise ist es nun möglich eine Drapierform schnell und vor allem Oberflächennahe (benachbart zu den Schichten des Vorformlings) über eine elektrische Temperierung aufzuwärmen und unter Umständen sogar mit einer zweiten einstellbaren Temperierung die Drapierform unterstützend über ein fluides Temperierungsmittel (Fluidheizung) aufzuwärmen. Ist die notwendige Wärmeenergie in den Vorformling eingetragen kann bereits vorher, aber auch natürlich anschließend, begonnen werden die Drapierform abzukühlen Bevorzugt werden als temperierte Fluide, die in einem Fluidkanal umlaufen und mit zumindest einem Wärmetauscher temperiert werden, Wasser, Öl und/oder Dampf verwendet. Als ein elektrisches Temperiersystem kann eine elektrische Widerstandsheizung und/oder Peltierelemente oder ähnliches verwendet werden. Von Vorteil ist weiter, dass elektrische Temperiersysteme gegenüber dem Temperiersystem mit temperierten Fluiden eine deutlich schnellere Reaktionszeit aufweisen. Vorzugsweise wird zur Aufheizung der Drapierform das elektrische Temperiersystem und zur Abkühlung das Temperiersystem mit Fluiden verwendet. Dabei kann es notwendig sein, dass zur Aufheizung der Drapierform das Temperiersystem mit Fluiden unterstützend verwendet wird und gleichwohl kann es vorkommen, dass zur Abkühlung der Drapierform das elektrische Temperiersystem unterstützend verwendet wird, wenn dieses dazu in der Lage ist. Besonders ist aber bevorzugt, dass im Zuge der Aufheizung durch das elektrische Temperiersystem eine Steuerungsvorrichtung bei Erreichen einer vorgegebenen Solltemperatur in den Schichten und/oder eines zu den Schichten im Wesentlichen benachbarten Temperaturfühlers in der Drapierform und/oder noch vor Ende einer vorgegebenen Heizphase das Temperiersystem mit temperierten Fluiden mit der Kühlung der Drapierform beginnt.
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Es ist von Vorteil, wenn die Steuerung oder die Regelung des elektrischen Temperiersystems über einen Thyristorsteller erfolgt, der mit einem Temperaturfühler, vorzugsweise benachbart zu den Schichten in der Drapierform angeordnet, wirkverbunden ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass das Temperiersystem für temperierte Fluide in der Drapierform zumindest ein Fluidkanal angeordnet ist, welcher außerhalb der Drapierform 1 mit zumindest einen Wärmetauscher 4 wirkverbunden ist und geeignet ist Wasser, Öl und/oder Dampf zu führen. In einer weiteren Alternative kann als ein elektrisches Temperiersystem eine elektrische Widerstandsheizung und/oder Peltierelemente angeordnet sein. Hinsichtlich einer möglichen Verwendung oder Anordnung einer Regelungsvorrichtung, sollte diese geeignet sein im Zuge der Aufheizung durch zumindest das elektrische Temperiersystem bei Erreichen einer vorgegebenen Solltemperatur in den Schichten und/oder nach einer vorgegebene Haltezeit nach Erreichen einer vorgegebenen Solltemperatur und/oder noch vor Ende einer vorgegebenen Heizphase die Kühlung durch das Temperiersystem mit temperierbaren Fluiden einzuleiten.
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Insbesondere ist auch von Vorteil, wenn zur Steuerung oder Regelung des elektrischen Temperiersystems ein Thyristorsteller angeordnet ist, der mit einem Temperaturfühler, vorzugsweise benachbart zu den Schichten auf oder in der Drapierform angeordnet, wirkverbunden ist.
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Anhand eines allgemeinen Beispiels wird im Rahmen der Erfindung folgende Temperierung der Drapierform beispielhaft durchgespielt, wobei unter drapieren das generieren einer 3D-Form (Vorformling) aus einer im Wesentlichen ebenen Form oder Anordnung der Schichten versteht:
Die Heizphase beinhaltet das Aufheizen der Drapierform von einer Starttemperatur auf eine obere Solltemperatur und das Halten dieser Temperatur über eine vorgegebene Zeit, die zum Umformen und Aushärten des Vorformlings notwendig ist. Die Kühlphase beginnt zu einem definierten Zeitpunkt vor Ende der Temperaturhaltezeit mit dem Abkühlen der Drapierform mit Hilfe des auf Fluide basierenden Temperiersystems und dem Ausschalten des elektrischen Temperiersystems zum Ende der Temperaturhaltezeit. Die Kühlphase endet mit dem Erreichen der vorgegebenen zweiten oder unteren Solltemperatur der Drapierform zur Öffnung und Entnahme des Vorformlings. Wird der Schichtaufbau auf oder innerhalb der Drapierform durchgeführt, so wird diese dabei in Abhängigkeit des Schichtaufbaus des Vorformlings auf eine vorgegebene untere Solltemperatur geregelt. Die Solltemperatur ist so zu wählen, dass der auf die Schichten aufgebrachte Binder während des Schichtaufbaus nicht aushärtet. Diese Solltemperatur kann sowohl mit dem elektrischen Temperiersystem als auch mit dem auf Fluiden basierenden Temperiersystem erreicht und eingestellt werden. Die Temperaturen werden mit Thermoelementen, zum einen auf und/oder knapp unter der Oberfläche der Drapierform und zum anderen im Fluidkanal, überwacht. Die Thermoelemente bilden die Eingangsgröße für die Temperaturregelung ab.
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Sind alle Schichten vom Vorformling zusammengeführt, wird die Drapierform mit der Patrize geschlossen und die Heizphase beginnt. Der Vorformling wird auf die obere Solltemperatur, die zum Umformen bzw. Aushärten notwendig ist, geregelt aufgeheizt. Dabei bringt das elektrische Temperiersystem die Wärme schnell in den Vorformling ein. Das auf Fluiden basierte Temperiersystem kann dabei unterstützend wirken, indem dieses Temperiersystem die Drapierform vollständig erwärmt. Damit wird der Wärmeverlust des elektrischen Temperiersystems zum Aufwärmen der Drapierform minimiert und damit auch die Aufheizzeit insgesamt bzw. die Zeit zum Wärmeeintrag in den Schichtaufbau. Der Start des Aufheizens auf die Solltemperatur kann, wenn technologisch möglich, auch vor dem Schließen der Drapierform liegen oder sogar noch kurz bevor die letzte Schicht des Vorformlings behandelt oder abgelegt wird. Ist die obere Solltemperatur erreicht, wir die Temperatur, gemessen an der Drapierformoberfläche, über eine für den Umform- und Aushärteprozess notwendige und davon abhängige Haltezeit, im Wesentlichen konstant gehalten. Nach Ablauf dieser Haltezeit ist die Heizphase beendet. Die Kühlphase der Drapierform kann zu einem definierten Zeitpunkt vor Ende der Haltezeit beginnen. Das auf Fluide basierende Temperiersystem wird mit kaltem Fluid durchströmt und beginnt die Drapierform zumindest im weiter zu den Schichten entfernten Bereich der Drapierform abzukühlen. Das elektrische Temperiersystem wird dann ausgeschaltet, wenn das Ende der Haltezeit erreicht ist. Der Start der Kühlphase mit dem auf Fluide basierendem Temperiersystem vor dem Ende der Haltezeit trägt zur Verkürzung der Zykluszeit bei. Die Drapierform wird dann auf die untere Solltemperatur abgekühlt, die wieder zum Aufbringen der Schichten des Faserhalbzeugs zulässig ist wobei während dieses Vorganges der Vorformling entnommen und bei erreichen der unteren zulässigen Solltemperatur die erste Schicht aufgelegt wird. Je nach Anwendungsfall wird die erste Schicht normalerweise nicht mit Bindemittel versehenen, dafür die nachfolgenden Schichten, so dass sogar ausnahmsweise die erste Schicht bereits auf die Drapierform gelegt werden kann, wenn diese noch nicht ausreichend abgekühlt ist. Zwingend muss aber, wenn die zweite Schicht mit Bindemittel versehen aufgelegt wird, die untere Solltemperatur in der Drapierform erreicht sein.
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Weitere vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung mit der Zeichnung hervor.
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Es zeigen:
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1 eine Anlage für die großindustrielle Anwendung in einer schematischen Seitenansicht und
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2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Temperiersysteme in einer beispielhaften Drapierform.
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1 zeigt eine Anlage für die großindustrielle Anwendung in einer schematischen Seitenansicht. Dabei wird das Bindemittel 19 in seiner angelieferten Rohform in eine Dosiereinheit 14 gegeben und von dort als dosiertes Bindemittel 20, vorzugsweise pulverisiert oder in Pulverform, an einen Förderejektor 13 übergeben. Der Förderejektor 13 wird über ein Drosselventil 12 und einen damit wirkverbundenen Kompressor 11 mit Druckluft versorgt und fördert, unter Umständen als zweite Dosierregeleinrichtung verwendbar, das dosierte Bindemittel 20 durch eine Druckluftleitung 17, vorzugsweise als flexibler Druckluftschlauch ausgebildet, zu einem Anschluss 18 an der Applikationsvorrichtung 6. Die Applikationsvorrichtung 6 kann dabei in unterschiedlicher Formen ausgebildet sein. Eine Heißluftquelle 5 kann direkt mit der Applikationsvorrichtung 6 wirkverbunden sein, oder es kann bei einer beweglichen Applikationsvorrichtung 6 auch ein flexibler Schlauch zwischengeschaltet sein, so dass ein geeigneter Manipulator (beispielsweise ein Industrieroboter oder anderes geeignetes Verfahrwerkzeug) nicht auch noch die Heißluftquelle 5 selbst zu manipulieren hat. In der Applikationsvorrichtung 6 wird nun ein Heißluftstrom mittels einer geeigneten Heißluftquelle 5 erzeugt und das Bindemittel 20 wird, vorzugsweise mittels einer Bindemitteldüse (nicht dargestellt), in den Heißluftstrom eingebracht, wobei der Heißluftstrom, im Wesentlichen auf die zu beleimende Schicht 7, vorzugsweise senkrecht dazu, gerichtet ist. Das Bindemittel 20 wird dabei im Fluge erwärmt, erhält eine klebrige Oberfläche und bleibt anschließend an der Schicht 7 haften. Die Schicht 7 hängt dabei an einer Saugplatte 16 einer Manipulationsvorrichtung 15 (beispielsweise ein Industrieroboter oder anderes geeignetes Verfahrwerkzeug) und wird dabei über die Applikationsvorrichtung 6 in einem vorgegebenem Muster (Beleimbild) verfahren. Die Manipulationsvorrichtung 15 legt nach erfolgter Beleimung die Schicht 7 auf einer Drapiervorrichtung 3 ab. In vorliegendem Beispiel wäre die Schicht 7 die letzte (äußere) Schicht des Vorformlings 8, wobei die erste Schicht 7''' auf der Drapiervorrichtung 3, respektive direkt liegend auf der Drapierform, nicht beleimt wird, sondern nur die nachfolgenden Schichten, die wiederum auf eine bereits liegende Schicht 7n+1 gelegt wird. N + 1 ist dabei die äußerste (unten liegende) Schicht, die Schicht 7 die oberste, die als letztes beleimt wird, so dass das Bindemittel nur zwischen den Schichten 7, 7', 7'', 7n+1 angeordnet ist. Nach dem Ablegen der letzten Schicht 7 und Fertigstellung des Vorformlings 8 wird die zur Drapierform 1 als Matrize passende Patrize auf die Drapierform 1 gedrückt und der dreidimensionaler Vorformling 8 mit Druck und/oder Hitze ausgehärtet, der anschließend in einem weiteren separaten Verfahren mittels geeigneter Techniken, vorzugsweise mittels des RTM-Verfahrens (rapid transfer molding), zu einem faserverstärkten Kunststoff-Formteil verarbeitet wird.
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In 2 ist eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Temperiersysteme in einer beispielhaften Drapierform dargestellt. Dabei weist die Drapierform zumindest einen Fluidkanal 9 auf, der zumindest einmal, die Drapierform 1 durchzieht. Dieser Fluidkanal 9 ist vorzugsweise außerhalb der Drapierform 1 mit einem Wärmetauscher 4 und einer Umwälzpumpe 10 wirkverbunden, um das verwendete Fluid zu temperieren und durch den Fluidkanal zu bewegen. Zur Regelung der Fluidtemperatur ist zuzmindest ein Temperaturfühler 21 im oder am Fluidkanal 9 vorgesehen. Weiter ist oberflächennah zu den Schichten (in 2 nicht dargestellt) ein elektrisches Temperiersystem, in Form einer Widerstandsheizung in der Drapierform 1 angeordnet. Durch die Nähe zur Oberfläche der Drapierform 1 und die kurze Ansprechzeit der Widerstandsheizung ist es möglich das die Oberfläche der Drapierform 1 und die Schichten in der mit einem Deckel geschlossenen Drapierform, respektive geschlossener Patrize (in der Figur ist nur die Matrize dargestellt), schnell aufgeheizt werden. Wenn es ausreicht, genug Wärme mit der Widerstandsheizung in die Schichten des Vorformlings einzubringen, so kann auf eine Zuschaltung zweiten Temperierkreises, respektive des Temperiersystems mit Fluiden, verzichtet werden. Dafür wäre es aber denkbar, vor dem Ende der Haltephase (die Temperatur zum Aufschmelzen und Aushärten des Binders ist erreicht und die Temperatur muss nur noch gehalten werden, damit alle Schichten ausreichend durchgeheizt sind) bereits mit der Kühlung zu beginnen. Die elektrische Temperierung schirmt währenddessen die Schichten noch von der Kühlung ausreichend ab, wohingegen die Drapierform 1 schon ausreichend stark gekühlt wird. Wird nun die elektrische Temperierung, die ebenfalls mit einem Temperaturfühler 22 versehen ist, abgeschaltet und die Widerstandsheizung 2 wird nicht mehr betrieben, so kühlt die Drapierform sehr schnell aus und kühlt dementsprechend sehr schnell den Vorformling 8 auf eine Temperatur herunter, die es ermöglicht die Drapierform 1 zu öffnen und den Vorformling 8 zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drapierform
- 2
- Widerstandsheizung
- 3
- Drapiervorrichtung
- 4
- Wärmetauscher
- 5
- Heißluftquelle
- 6
- Applikationsvorrichtung
- 7
- Schicht(-en 7, 7', 7'', 7n+1)
- 8
- Vorformling
- 9
- Fluidkanal
- 10
- Umwälzpumpe
- 11
- Kompressor
- 12
- Drosselventil
- 13
- Förderejektor
- 14
- Dosiereinheit
- 15
- Manipulationsvorrichtung
- 16
- Saugplatte
- 17
- Druckluftleitung
- 18
- Anschluss 17 an 6
- 19
- Bindemittel
- 20
- Bindemittel (dosiert)
- 21
- Temperaturfühler in 9
- 22
- Temperaturfühler in 1