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Dokumentenidentifikation DE10129514B4 19.04.2007
Titel Verfahren zur Anhaftung von Thermoplastbändchen auf einer Werkzeugplattform
Anmelder Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, 67663 Kaiserslautern, DE
Erfinder Korn, Jochen, 67731 Otterbach, DE;
Beresheim, Guido, 67655 Kaiserslautern, DE;
Lichtner, Jens, 67663 Kaiserslautern, DE
Vertreter Patentanwälte BECKER & AUE, 55411 Bingen
DE-Anmeldedatum 11.06.2001
DE-Aktenzeichen 10129514
Offenlegungstag 19.12.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.04.2007
IPC-Hauptklasse B29C 70/38(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C09J 5/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Ablegen von Thermoplastbandchen auf einer Werkzeugplattform.

Hochbelastbare, kontinuierlich faserverstärkte Kunststoffbauteile mit beanspruchungsgerechter Faserorientierung und -positionierung lassen sich durch Ablegen vorimprägnierter Endlosfaserstrange herstellen. Die Vorimprägnierung erfolgt bei duromeren Kunststoffsystemen indem man die Faserbündel durch ein Tauchbad des noch nicht ausgehärteten Kunststoffsystems führt. Bei der Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffsystemen verwendet man häufig faserverstärkte Kunststoffbändchen, die in einem separaten, vorgeschalteten Prozess bereits imprägniert und konsolidiert wurden. Diese thermoplastischen Kunststoffbändchen werden direkt vor dem Ablegen auf Temperaturen oberhalb des Schmelz- bzw. Erweichungsbereiches des Thermoplasten erwärmt und mittels einer Andruckrolle im Ablegepunkt der Geometrie des Bauteils angepasst und konsolidiert. Die Geometrie des Bauteils wird dabei durch eine ebene oder gekrümmte Struktur, auf die abgelegt wird, vorgegeben. Dies hochautomatisierbare Verfahren wird als "Tapelegen", oder im Englischen "Tape/Tow Placement" bzw. "Fiber Placement" bezeichnet.

In der Verfahrenstechnik wurde, vor dem Hintergrund, dass ursprünglich nur Duromer-basierende Systeme verarbeitet wurden, ein wesentlicher Schwerpunkt in der Automation des Prozesses gelegt. In der US 3 775 219 wird beispielsweise ein Legekopf beschrieben, mit dem die vorimprägnierten Tapes automatisch von einer Rolle abgezogen werden, die Trennfolie entfernt wird und dann das Tape auf dem Werkzeug abgelegt wird. Es werden Details des Legekopfes beschrieben, die im Wesentlichen auf die exakte Positionierung des Tapes beim Ablegen unter Einhaltung einer definierten Winkelstellung abzielen. Den besonderen Fragestellungen bei der Verarbeitung von Thermoplast-basierenden Systemen wird durch die Beschreibung von Aufheizsystemen nachgegangen. EP 0 491 355 A1 beschreibt hier beispielsweise Lösungen, das thermoplastische Tape auf die notwendige Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Thermoplasten zu heizen.

Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung der thermoplastischen Kunststoffsysteme liegt darin, dass diese unmittelbar beim Ablegen konsolidiert, d.h. unter Druck miteinander verfestigt werden. Das abgelegte Bändchen wird dabei mit dem bereits zuvor abgelegten Material gefügt. Die resultierende Haftung ermöglicht es, beliebig komplexe Geometrien zu legen. Die an der späteren Belastung des Bauteils orientierte Ablage der Bändchen, auch außerhalb geodätischer Bahnen, erlaubt eine hochgradige Ausnutzung des Werkstoffpotentials. Konvexe und konkave Bahnen sind möglich.

Obwohl der derzeitige Entwicklungsstand des Legeprozesses selbst eine Bauteilfertigung ermöglichen würde, können kontinuierlich faserverstärkte, thermoplastische Bauteile nur begrenzt wirtschaftlich mittels der Tapelegetechnik hergestellt werden. Ursächlich dafür ist das Erstlagenproblem: Für den kontinuierlichen Prozess muss 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. 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 bekannte Lösungen wie z.B. eine mit Unterdruck beaufschlagte Werkzeugplattform aus gesintertem Aluminium (z.B. Metapor) oder mit Ansauglöchern versehene Werkzeuge aus.

Eine serientaugliche Lösung beschreibt DE 100 12 378 A1. Sie basiert auf dem Prinzip der elektrostatischen Anziehung zwischen Kohlenstofffasern und metallischer Werkzeugoberfläche. Danach wird zwischen der metallischen Werkzeugoberfläche und den in einem Kunststoffbändchen befindlichen Kohlenstofffasern eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Zwischen den Kohlenstofffasern und der Werkzeugoberfläche entsteht ein elektrostatisches Feld, welches das gesamte Bändchen aufgrund der resultierenden Normalkraft auf der Werkzeugoberfläche hält. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Beschränkung auf elektrischleitende Fasern sowie ein erhöhter apparativer und finanzieller Aufwand für die Sicherung des Arbeitsplatzes, Beschichtung des Werkzeugs und Betrieb der Gleichspannungquelle.

Durch die Erfindung soll ein Verfahren zur automatisierten Herstellung von belastungsoptimierten Faserverbund-Formteilen, welche aus kontinuierlich faserverstärkten Thermoplast-Bändern aufgebaut werden, bereitgestellt werden, und das Verfahren soll durch einen vollautomatisierten Prozess mit Hilfe des Tapelegeverfahrens auf einer Werkzeugplattform durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Überaschenderweise wird bei einer Temperierung der Werkzeugoberfläche (TWerk.) im Bereich der Kristallisationstemperatur (TKris.) des eingesetzten Thermoplasten ein Anhaften des abgelegten Thermoplastbändchens an der Werkzeugoberfläche erzielt. Die Kristallisationstemperatur ist dabei die charakteristische Größe des eingesetzten Thermoplasten, die den bei Abkühlung des Materials auftretenden Phasenübergang vom flüssig, ungeordnetem Zustand in den festen, durch eine Nahordnung der Moleküle gekennzeichneten Zustand beschreibt und beispielsweise mittels einer kaloriemetrischen Untersuchung bei einer Abkühlrate von 10 °C/min ermittelt werden kann. Der Bereich um die Kristallisationstemperatur, in dem die Anhaftung erzielt wird, ist erfindungsgemäß eingegrenzt durch einen oberen Wert, der maximal 40°C oberhalb der Kristallisationstemperatur liegt und einen unteren Wert, der maximal 50°C unterhalb der Kristallisationstemperatur liegt. Bei Thermoplasten mit einer Kristallisationstemperatur, die zur Schmelztemperatur (Tm) einen Abstand &Dgr;T = Tm – TKris. ≤ 40°C besitzen, reduziert sich die erfindungsgemäß obere Grenze für die Werkzeugtemperatur (TWerk.) auf den Wert der Onset-Temperatur des Phasenübergangs von fest zu flüssig, wie er mittels einer kalorimetrischen Untersuchung bei einer Heizrate von 10°C/min bestimmt werden kann.

Der Grad der Anhaftung des Thermoplasten an der Werkzeugoberfläche ist abhängig vom eingesetzten Thermoplasten und variiert im erfindungsgemäßen Bereich (TWerk. = TKris. – 50°C) bis (TWerk. = TKris. + 40°C). In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Werkzeugoberfläche im Bereich (TWerk. = TKris. – 20°C) bis (TWerk. = TKris. + 20°C) temperiert. Hierdurch lässt sich der Grad der Anhaftung optimieren.

Erfindungsgemäß lässt sich die Anhaftung der abgelegten Thermoplastbändchen an der Werkzeugoberfläche durch Reduzierung der Werkzeugoberflächentemperatur derart herabsetzen, dass ein leichtes Ablösen der abgelegten Thermoplastbändchen bzw. des hergestellten Bauteils möglich ist. Leichtes Ablösen bedeutet erfindungsgemäß ein Trennen von Werkzeug und Bauteil, gegebenenfalls auch unter Zuhilfenahme von beispielsweise mechanischen Arbeitshilfen, ohne eine Schädigung der Bauteiloberfläche. Die resultierende Bauteiloberfläche bleibt als Abbild der Werkzeugoberfläche erhalten. Die Anhaftung ist umso geringer, je tiefer die eingestellte Werkzeugoberflächentemperatur ist. Erfindungsgemäß kann ein Abkühlen auf ein Temperaturniveau (TWerk. < TKris. – 50°C) bereits ausreichen, um das Bauteil von der Werkzeugoberfläche zu trennen. Bevorzugt wird erfindungsgemäß ein Abkühlen auf niedrigere Temperaturen. Besonders bevorzugt wird ein Abkühlen auf Umgebungstemperatur. Durch aktives Kühlen lässt sich der Prozess beschleunigen. Erfindungsgemäß kann auch eine aktive Kühlung zum Einsatz kommen, die eine Temperierung unterhalb der Umgebungstemperatur erlaubt.

Die verwendeten Thermoplastbändchen können erfindungsgemäß aus reinem Thermoplastmaterial bestehen oder auch durch Füll- und Verstärkungsstoffe, wie sie nach dem Stand der Technik in der Kunststoffindustrie eingesetzt werden, modifiziert sein. Verwendet werden können alle bekannten Thermoplaste, sowohl Standardthermoplaste wie beispielsweise Polyethylen und Polypropylen aber auch technische Thermoplaste wie beispielsweise Polyamide, Polyterephthalate sowie Hochleistungs-Thermoplaste wie Polyetheretherketone. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden faserförmige Verstärkungsmaterialien wie beispielsweise Glas-, Kohlenstoff- oder Aramidfasern verwendet. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung liegen diese Fasern in kontinuierlicher, quasi endloser Form vor. Faseroberflächenmodifikationen nach dem Stand der Technik, um beispielsweise die Anbindung der Fasern an die Matrix zu verbessern, sind möglich.

Die Anbindung der Fasern an das Thermoplastmaterial kann erfindungsgemäß in einem vorgeschalteten Prozess erfolgen. Die Imprägnierung der Fasern mit dem Thermoplasten kann dabei erfindungsgemäß zunächst nur partiell erfolgen. Diese Teilimprägnierung wird während des Ablegeprozesses komplettiert, so dass im abgelegten Thermoplastbändchen eine vollständige Imprägnierung vorliegt. In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Fasern im vorgeschalteten Prozess vollständig mit dem Thermoplastmaterial imprägniert.

Die Temperierung der Thermoplastbändchen kann erfindungsgemäß unmittelbar vor dem Ablegen erfolgen. Damit die notwendige Energie zum Erreichen einer Temperatur oberhalb des Schmelz- bzw. Erweichungsbereiches eingebracht werden kann, können nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren wie beispielsweise Infrarotstrahl-, Laserstrahl- oder Flammheizung eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß können die Thermoplastbändchen im Vorlauf eine Temperierung erfahren. Um konstante Verarbeitungsbedingungen zu erzielen, können die Thermoplastbändchen gekühlt oder auch geheizt werden.

Die Oberflächenqualität des zum Ablegen verwendeten Werkzeuges richtet sich nach der Qualitätsanforderung an das herzustellende Bauteil. Über die Werkzeugoberflächenqualität lässt sich erfindungsgemäß die resultierende Bauteiloberflächenqualität einstellen. Die Werkzeugoberfläche kann erfindungsgemäß unbehandelt oder mittels mechanischer, physikalischer oder chemischer Verfahren nach dem Stand der Technik behandelt sein. Erfindungsgemäß sind Beschichtungen der Oberfläche nach dem Stand der Technik möglich.

Zur Verbesserung der Ablösbarkeit des fertigen Bauteils kann erfindungsgemäß ein Trennmittel verwendet werden. Trennmittel werden bei Formgebungsverfahren in Verbindung mit einem Werkzeug eingesetzt, um ein Anhaften des auszuformenden Materials an der Werkzeugoberfläche zu verhindern.

Die Werkzeugplattform zum Ablegen der Thermoplastbändchen kann erfindungsgemäß aus Metall, Keramik, Kunststoff oder auch beliebigen Kombinationen dieser Materialien bestehen. Zur Erzielung der Temperierung können alle nach dem Stand der Technik bekannten Methoden wie beispielsweise Heizleitungen, Heizelemente, Wärmestrahler oder Ölheizung zum Einsatz kommen.


Anspruch[de]
Verfahren zum automatisierten Ablegen von Thermoplastbändchen auf eine Werkzeugplattform, wobei

– die gesamte Oberfläche der Werkzeugplattform während des Legeprozesses im Bereich von 50°C unterhalb bis 40°C oberhalb der Kristallisationstemperatur – jedoch immer unterhalb der Schmelztemperatur – des zu verarbeitenden Thermoplasten beheizt wird und

– nach Beendigung des gesamten Legeprozesses die Werkzeugplattform mit dem darauf abgelegten Bauteil abkühlt und das Bauteil von der Werkzeugplattform abgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugplattform zum Ablegen der Thermoplastbändchen im Bereich 20°C unterhalb bis 20°C oberhalb der Kristallisationstemperatur des Thermoplasten temperiert wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass verstärkte oder unverstärkte Thermoplastbändchen abgelegt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich faserverstärkte Thermoplastbändchen abgelegt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vollimprägnierte oder teilimprägnierte kontinuierlich faserverstärkte Thermoplastbändchen verwendet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Werkzeugplattform vor dem Ablegen der Thermoplastbandchen mit einem Trennmittel behandelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugplattform mit Heizleitungen, Heizelementen, Wärmestrahlern oder Öl temperiert wird.






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