Automatisierte Herstellung von hybriden Preforms mittels ‚Ultrasonic Fiber Placement‘ (UFP)
Kurzfassung
Die hier vorgestellte Erfindung bietet vor allem Industriezweigen wie Luftfahrt- und Automobilindustrie, die ein natürliches Interesse an Leichtbauweise haben, einen Wettbewerbsvorteil, da das neue Verfahren eine automatisierte Herstellung von lastpfadgerechten Faserverbund- und Hybridbauteilen sowie textilen Faser-Matrix-Halbzeugen (‚Preforms‘) ermöglicht.
Es können sowohl biegesteife Preforms als auch fertige Bauteile mit komplexen Geometrien produziert werden.
Hintergrund
Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) auf Thermoplastbasis wird vor allem im Automobilbau ein hohes Potenzial zugeschrieben. Die gängigste Methode ist die Verarbeitung von thermoplastischen Prepregs (mit Kunststoff vorimprägnierte Fasern) deren Herstellung in einem separaten Verarbeitungsschritt erfolgt.
Problemstellung
Eine lastpfadgerechte Auslegung der Fasern, für einen optimalen Einsatz von FKV unabdingbar, ist durch diese Methode jedoch nicht vollständig realisierbar. Zwei bekannte Verfahren zur lastpfadgerechten Ablage der Fasern sind das ‚Automated Fiber Placement‘ (AFP) und das ‚Tailored Fiber Placement‘ (TFP).
Lösung
Ähnlich wie beim TFP, werden die Fasern in Form eines Rovings oder Garns auf die Ablagefläche aufgebracht. Jedoch wird der Stickkopf durch eine Ultraschall-Sonotrode ersetzt und die Ablagefläche dient als Amboss.
Durch Ultraschalleintrag schmilzt die Thermoplastkomponente des faserverstärkten Hybridgarns und verschweißt die Fasern mit dem Untergrund. Durch die Regulierung des lokalen Wärmeeintrages wird die Anzahl der Schweißpunkte bzw. deren Abstand bis zur vollständigen Verschweißung optimiert.
Somit kann wahlweise ein mehr oder weniger biegesteifer Preform (nur teilweise konsolidiert) oder ein fertiges Bauteil (vollständig konsolidiert bzw. aufgeschmolzen und verfestigt) entstehen.
Zur Lastpfadgerechten Auslegung der Halbzeuge oder Bauteile kann die Sonotrode an einen Roboter montiert werden, der sich bewegt. Alternativ kann die Ablagefläche selbst bewegt werden. Dies ermöglicht die Realisierung von diverseren und komplexen Bauteilgeometrien.
Vorteile
- Simultanes Ablegen und Fügen von lastgerecht verstärkten und verlaufenden Strukturen
- Für thermoplastische Kunststoffteile geeignet
- Flexible Versteifung des Bauteils
- Komplexe Bauteilgeometrie realisierbar
- Hochqualitative Verfertigung der Bauteile
- Energieeffiziente Herstellung der Bauteile
Anwendungsbereiche
Die hier vorgestellte Erfindung bietet vor allem Industriezweigen wie Luftfahrt- und Automobilindustrie, die ein natürliches Interesse an Leichtbauweise haben, einen Wettbewerbsvorteil, da das neue Verfahren eine automatisierte Herstellung von lastpfadgerechten Faserverbund- und Hybridbauteilen sowie textilen Faser-Matrix-Halbzeugen (‚Preforms‘) ermöglicht.