Hochbelastbare, kontinuierlich faserverstärkte Kunststoff- bauteile mit beanspruchungsgerechter Faserorientierung und -positionierung lassen sich durch Ablegen vorimprägnierter Endlosfaserstränge herstellen. Die Vorimprägnierung erfolgt bei duromeren Kunststoffsystemen dadurch, dass man die Fa- serbündel durch ein Tauchbad des noch nicht ausgehärteten Kunststoffsystems führt. Bei der Verarbeitung von thermo- plastischen Kunststoffsystemen verwendet man häufig faser- verstärkte Kunststoffbändchen, die in einem separaten, vor- geschalteten Prozess bereits imprägniert und konsolidiert wurden. Diese thermoplastischen Kunststoffbändchen werden direkt vor dem Ablegen auf Temperaturen oberhalb des Schmelz-bzw. Erweichungsbereiches des Thermoplastes er- wärmt und mittels einer Andrückrolle im Ablegepunkt der Ge- ometrie des Bauteils angepasst und konsolidiert. Die Geo- metrie des Bauteils wird dabei durch eine ebene oder ge- krümmte Struktur, auf die abgelegt wird, vorgegeben. Dies hochautomatisierbare Verfahren wird als"Tapelegen"oder im Englischen"Tape/Tow Placement"bzw."Fiber Placement"be- zeichnet.

In der Verfahrenstechnik wurde, vor dem Hintergrund, dass ursprünglich nur duromer-basierende Systeme verarbeitet wurden, ein wesentlicher Schwerpunkt in die Automation des Prozesses gelegt. In der US 3 775 219 A wird beispielsweise ein Legekopf beschrieben, mit dem ein vorimprägniertes Tape automatisch von einer Rolle abgezogen, eine Trennfolie von dem Tape entfernt und anschließend das Tape auf dem Werk- zeug abgelegt wird. Es werden Details des Legekopfes be- schrieben, die im Wesentlichen auf die exakte Positionie- rung des Tapes beim Ablegen auf dem Werkzeug unter Einhal- tung einer definierten Winkelstellung abzielen. Weitere Schriften zur Kopftechnolgie (z. B. US 5 698 066 A), zu Ma- schinendetails (z. B. US 5 223 072 A oder US 5 239 457 A) oder zu ganzen Anlagenkonzepten (z. B. US 5 022 952 A oder US 4 907 754 A) befassen sich mit ähnlichen Fragestellun- gen.

Den besonderen Fragestellungen bei der Verarbeitung von thermoplast-basierenen Systemen wird durch die Beschreibung von Aufheizsystemen nachgegangen. Die EP 0 491 355 AI of- fenbart hier beispielsweise Lösungen, das thermoplastische Tape auf die notwendige Temperatur oberhalb der Schmelztem- peratur des zu verarbeitenden Thermoplastes zu heizen.

Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung der thermoplas- tischen Kunststoffsysteme liegt darin, dass diese unmittel- bar beim Ablegen konsolidiert, d. h. unter Druck miteinander verfestigt werden. Das abgelegte Thermoplastbändchen wird dabei mit dem bereits zuvor abgelegten Material gefügt. Die resultierende Haftung ermöglicht es, beliebig komplexe Geo- metrien zu legen. Die an der späteren Belastung des Bau- teils orientierte Ablage der Bändchen, auch außerhalb geoä- tischer Bahnen, erlaubt eine hochgradige Ausnutzung des Werkstoffpotentials. Das Ablegen der Thermoplastbändchen in konvexen und konkaven Bahnen ist möglich.

Obwohl der derzeitige Entwicklungsstand des Legeprozesses selbst eine Bauteilfertigung ermöglichen würde, können kon- tinuierlich faserverstärkte, thermoplastische Bauteile nur begrenzt wirtschaftlich mittels der Tapelegetechnik herge- stellt werden. Ursächlich dafür ist das Erstlagenproblem.

Für den kontinuierlichen Prozess muss zunächst eine erste Lage von Thermoplastbändchen aufgebracht werden. Das Erst- lagenproblem besteht damit aus der reversiblen Anbindung faserverstärkter Thermoplastbändchen auf einer konturierten Werkzeugoberfläche unter der Maßgabe, dass das fertige Bau- teil wiederum problemlos von der Werkzeugoberfläche abge- nommen werden kann. Aus diesem Grund scheiden Lösungen aus, die die Werkstoffeigenschaften und die Oberfläche des Bau- teils durch chemische Prozesse, Verunreinigungen, Beschädi- gungen etc. nachteilig beeinflussen, wie z. B. ein Aufbrin- gen von Klebstoffen, Klebebändern etc.. Weiterhin muss so- wohl verfahrenstechnisch als auch wirtschaftlich eine Se- rientauglichkeit, insbesondere für sehr große Bauteile, wie sie für die Luft-und Raumfahrt eingesetzt werden, gewähr- leistet sein. Daher scheiden auch bekannte Lösungen, wie z. B. eine mit Unterdruck beaufschlagte Werkzeugplattform aus gesintertem Aluminium (z. B. Metapor) oder mit Ansauglö- chern versehene Werkzeuge aus.

Eine serientaugliche Lösung beschreibt die DE 100 12 378 A1. Diese Lösung basiert auf dem Prinzip der elektrostati- schen Anziehung zwischen Kohlenstofffasern und einer metal- lischen Werkzeugoberfläche. Danach wird zwischen der metal- lischen Werkzeugoberfläche und den in einem Thermoplast- bändchen befindlichen Kohlenstofffasern eine Gleichspan- nungsquelle angeschlossen. Zwischen den Kohlenstofffasern und der elektrisch leitenden Werkzeugoberfläche entsteht ein elektrostatisches Feld, welches das gesamte Thermo- plastbändchen aufgrund der resultierenden Normalkraft auf der Werkzeugoberfläche hält. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Beschränkung auf elektrisch-leitende Fasern sowie ein erhöhter apparativer und finanzieller Aufwand für die Sicherung des Arbeitsplatzes, Beschichtung des Werkzeugs und Betrieb der Gleichspannungsquelle.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der Eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine automati- sierte Herstellung von belastungsoptimierten Verbund- Formteilen, welche aus Thermoplastbändchen aufgebaut wer- den, sichergestellt ist. Das Verfahren soll durch einen vollautomatisierten Prozess mit Hilfe des Tapelegeverfah- rens auf einer Werkzeugplattform durchgeführt werden kön- nen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltun- gen des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.

Durch die Temperierung der Werkzeugoberfläche (TWerk.) im Bereich der Kristallisationstemperatur (TKris.) des einge- setzten Thermoplastes wird ein Anhaften des abgelegten Thermoplastbändchens an der Werkzeugoberfläche erzielt. Die Kristallisationstemperatur stellt dabei die charakteristi- sche Größe des eingesetzten Thermoplastes dar, die den bei Abkühlung des Materials auftretenden Phasenübergang vom flüssigen, ungeordneten Zustand in den festen, durch eine Nahordnung der Moleküle gekennzeichneten Zustand beschreibt und beispielsweise mittels einer kaloriemetrischen Untersu- chung bei einer Abkühlrate von 10 °C/min ermittelt werden kann. Der Bereich um die Kristallisationstemperatur, in dem die Anhaftung des Thermoplastbändchens an der Werkzeugober- fläche erzielt wird, ist erfindungsgemäß eingegrenzt durch einen oberen Wert, der maximal 40°C oberhalb der Kristalli- sationstemperatur liegt, und einen unteren Wert, der maxi- mal 50°C unterhalb der Kristallisationstemperatur liegt.

Bei Thermoplasten mit einer Kristallisationstemperatur, die zur Schmelztemperatur (Tm) einen Abstand AT = Tm-TKris < 40°C besitzen, reduziert sich die erfindungsgemäß obere Grenze für die Werkzeugtemperatur (werk.) auf den Wert der Onset-Temperatur des Phasenübergangs von fest zu flüssig, wie er mittels einer kaloriemetrischen Untersuchung bei ei- ner Heizrate von 10°C/min bestimmt werden kann.

Der Grad der Anhaftung des Thermoplastes an der Werkzeug- oberfläche ist abhängig vom eingesetzten Thermoplast 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. = Turis.-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 Redu- zierung der Werkzeugoberflächentemperatur derart herabset- zen, dass ein leichtes Ablösen der abgelegten Thermoplast- bändchen bzw. des hergestellten Bauteils möglich ist.

Leichtes Ablösen bedeutet im Sinne der Erfindung ein Tren- nen von Werkzeug bzw. Werkzeugplattform und Bauteil, gege- benenfalls auch unter Zuhilfenahme von beispielsweise me- chanischen Arbeitshilfen ohne eine Schädigung der Bauteil- oberfläche. Die resultierende Bauteiloberfläche bleibt als Abbild der Werkzeugoberfläche erhalten. Die Anhaftung ist umso geringer, je tiefer die eingestellte Werkzeugoberflä- chentemperatur ist. Erfindungsgemäß kann ein Abkühlen auf ein Temperaturniveau TWerk. < TKris.-50°C bereits ausreichen, um das Bauteil von der Werkzeugoberfläche zu trennen. Be- vorzugt wird ein Abkühlen auf niedrigere Temperaturen. Be- sonders bevorzugt wird ein Abkühlen auf Umgebungstempera- tur. Durch aktives Kühlen lässt sich der Prozess beschleu- nigen. Vorteilhafterweise kann auch eine aktive Kühlung zum Einsatz kommen, die eine Temperierung unterhalb der Umge- bungstemperatur erlaubt.

Die verwendeten Thermoplastbändchen bestehen zweckmäßiger- weise aus einem reinen Thermoplastmaterial oder sind durch Füll-und Verstärkungsstoffe, wie sie nach dem Stand der Technik in der Kunststoffindustrie eingesetzt werden, modi- fiziert. Verwendet werden können alle bekannten Thermoplas- te, sowohl Standardthermoplaste, wie beispielsweise Poly- ethylen und Polypropylen, als auch technische Thermoplaste, wie beispielsweise Polyamide, Polyterephthalate, sowie Hochleistungs-Thermoplaste, wie Polyetheretherketone.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden faser- förmige Verstärkungsmaterialien, wie beispielsweise Glas-, Kohlenstoff-oder Aramidfasern, verwendet. In einer beson- ders bevorzugten Ausführung der Erfindung liegen diese Fa- sern in kontinuierlicher, quasi endloser Form vor. Faser- oberflächenmodifikationen 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 erfolgt bevorzugt in einem vorgeschalteten Prozess. Die Imprägnie- rung der Fasern mit dem Thermoplast wird dabei zweckmäßi- gerweise zunächst nur partiell vorgenommen. Diese Teilim- prägnierung wird während des Ablegeprozesses komplettiert, so dass bei dem auf der Werkzeugoberfläche abgelegten Ther- moplastbändchen eine vollständige Imprägnierung vorliegt.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Fasern in einem vorgeschalteten Prozess voll- ständig mit dem Thermoplastmaterial imprägniert.

Die Temperierung der Thermoplastbändchen erfolgt zweckmäßi- gerweise unmittelbar vor dem Ablegen auf der Werkzeugober- fläche. Damit die notwendige Energie zum Erreichen einer Temperatur oberhalb des Schmelz-bzw. Erweichungsbereiches eingebracht werden kann, werden nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren, wie beispielsweise Infrarotstrahl-, La- serstrahl-oder Flammheizung, eingesetzt.

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

Die Oberflächenqualität des zum Ablegen verwendeten Werk- zeuges richtet sich nach der Qualitätsanforderung an das herzustellende Bauteil. Über die Werkzeugoberflächenquali- tät lässt sich die resultierende Bauteiloberflächenqualität einstellen. Die Werkzeugoberfläche kann unbehandelt oder mittels mechanischer, physikalischer oder chemischer Ver- fahren nach dem Stand der Technik behandelt sein. Beschich- tungen der Werkzeugoberfläche sind nach dem Stand der Tech- nik möglich.

Zur Verbesserung der Ablösbarkeit des fertigen Bauteils wird vorzugsweise ein Trennmittel verwendet. Trennmittel werden bei Formgebungsverfahren in Verbindung mit einem Werkzeug eingesetzt, um ein Anhaften des auszuformenden Ma- terials an der Werkzeugoberfläche zu verhindern.

Die Werkzeugplattform zum Ablegen der Thermoplastbändchen besteht zweckmäßigerweise aus Metall, Keramik, Kunststoff oder auch einer beliebigen Kombination dieser Materialien.

Zur Erzielung der Temperierung können alle nach dem Stand der Technik bekannten Methoden, wie beispielsweise Heizlei- tungen, Heizelemente, Wärmestrahler oder Ölheizung, zum Einsatz kommen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nach- stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je- weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kom- binationen verwendbar sind. Der Rahmen der vorliegenden Er- findung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die nachfolgend beschriebenen Beispiele sollen die Wir- kungsweise der Erfindung verdeutlichen. In allen Beispielen wurde als Werkzeugplattform eine ebene, mit Heizelementen temperierbare, 15 mm dicke Aluminiumplatte eingesetzt. Die Regelung der Heizelemente und die Messung der Temperatur erfolgten mit Hilfe eines über einen Feldbus angeschlosse- nen Steuerungs-PC. Das für die Versuche verwendete Material war ein glasverstärktes Polypropylen-Tape (GF/PP-Tape) mit einer Breite von 15 mm und einer Dicke von 1 mm. Der Faser- volumengehalt bei diesem Tape betrug 50 %. Die kalorie- metrische Untersuchung des verwendeten Polypropylens ergab eine Schmelztemperatur von 163,8 °C, eine Onset-Temperatur für den Phasenübergang von fest zu flüssig von 158 °C und eine Rekristallisationstemperatur von 126,9 °C. Weiterhin wurden ein Temperatur-Handmessgerät, eine Andrückrolle, ei- ne Zange und ein Hochtemperatur-Trennmittel eingesetzt.

Beispiele 1 bis 8 Zunächst wurde die Werkzeugplattform mehrfach mit dem Trennmittel beschichtet und dieses einbrennen gelassen. Die Werkzeugplattform wurde auf 170 °C temperiert und mehrere GF/PP-Tapes so aufgerollt, dass ein freies Ende des Tapes über den Rand der Werkzeugplattform hinausragte. Die Tapes befanden sich aufgrund der Temperatur im schmelzflüssigen Zustand. Sie konnten dadurch die Werkzeugoberfläche benet- zen und anhaften. Nachdem die Tapes auf der Oberfläche auf- gebracht waren, wurde die Werkzeugplattform schrittweise abgekühlt. Auf jeder Temperaturstufe wurde versucht, ein Tape von der Werkzeugoberfläche abzuziehen. Dies erfolgte unter Zuhilfenahme der Zange, mit der an den überstehenden Enden der Tapes angesetzt und gezogen wurde. Es wurde dar- auf geachtet, dass nur eine Beanspruchung auf Schub und nicht auf Schälung erfolgte. Bewertet wurde dabei, ob das Tape leicht abgezogen werden konnte oder ob ein merklicher Widerstand zu bemerken war. Darüber hinaus wurde die dem Werkzeug zugewandte Seite des abgezogenen Tapes auf Beschä- digungen der Oberfläche untersucht. Nachstehende Tabelle fasst die Ergebnisse zusammen : Beispiel Werkzeugtemperatur Widerstand Oberflächenqualität Nr. beim Ab- ziehen 160°C gering deutlich beschädigt 2 140°C gut deutlich beschädigt 120°C gut deutlich beschädigt 4 100°C gut deutlich beschädigt 80°C gut deutlich beschädigt 6 60°C gering leicht beschädigt 7 40°C gering unbeschädigt 8 20°C kein unbeschädigt Beispiel 9 Die Werkzeugplattform wurde mit Trennmittel beschichtet und auf 120 °C temperiert. Mit einem an einem Knickarm-Roboter befestigten, selbst entwickelten Tapelegekopf wurde unter Verwendung einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme ein mehrla- giges Laminat mit von Lage zu Lage jeweils um 90° gedrehter Ablegerichtung hergestellt. Die erste Laminatlage wurde di- rekt auf die Werkzeugplattform abgelegt. Während des gesam- ten Legeprozesses wurden keine Ablöseerscheinungen beobach- tet. Nach Ablegen der letzten Laminatlage wurde die Tempe- rierung der Werkzeugplattform abgeschaltet. Nach Abkühlung des Aufbaus auf Raumtemperatur konnte das abgelegte Laminat ohne weitere Hilfsmittel von der Werkzeugplattform entfernt werden. Die dem Werkzeug zugewandte Seite zeigte keinerlei Beschädigungen.

Die Beispiele belegen die Wirkungsweise der Erfindung. Der obere Temperaturbereich wird durch die Erweichungscharakte- ristik des Thermoplastes beschränkt, siehe Beispiel 1. Im beanspruchten Temperaturbereich für die Anhaftung, siehe Beispiele 2 bis 5, wird eine gute Haftung erreicht. Wird in diesem Temperaturbereich das Tape vom Werkzeug abgezogen, so ist dies nur mit einer deutlichen Beschädigung der Ober- fläche des abgezogenen Tapes möglich. Bei einer Temperie- rung des Werkzeugs unterhalb des beanspruchten Bereiches wird die Haftung derart herabgesetzt, dass der notwendige Halt für den Tapelegeprozess nicht mehr gewährleistet ist, siehe Beispiele 6 und 7. Die unbeschädigte Ablösung des hergestellten Bauteils von der Werkzeugplattform wird bei einer deutlichen Abkühlung unterhalb des beanspruchten Tem- peraturbereiches möglich. In Beispiel 7 ist dies unter Auf- bringung geringer Kräfte möglich. Beispiel 8 belegt die Möglichkeit, dass das Bauteil ohne mechanische Beanspru- chung vom Werkzeug zu lösen ist. Beispiel 9 belegt, dass das beanspruchte Verfahren geeignet ist, die im Tapelege- prozess wirkenden Kräfte auf die Werkzeugplattform zu über- tragen, ohne dass eine zusätzliche Fixierung des zu erstel- lenden Bauteils notwendig ist. Nach Beendigung des Tapele- geprozesses kann das erstellte Bauteil ohne mechanische Be- anspruchung von der Werkzeugplattform abgehoben werden und die dem Werkzeug zugewandte Oberfläche stellt ein Abbild der Werkzeuggeometrie dar.