DE102005011977A1

DE102005011977A1 - Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels eines Harz-Infusionsverfahrens

Info

Publication number: DE102005011977A1
Application number: DE200510011977
Authority: DE
Inventors: Martin Dr.-Ing. Koschmieder; Bruno Dipl.-Ing. Möltgen; Patrick Dipl.-Ing. Simon (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Bauteils aus einem Faser-Halbzeug (2), das durch ein Resin-Infusion-Verfahren mit einem fließfähigen Matrix-Material getränkt wird. Die Vorrichtung (1) umfasst ein Werkzeug (3), in das das Faser-Halbzeug (2) angelegt wird und eine als eine Membran (4) ausgestaltete gasundurchlässige Folie. Zwischen der Membran (4) und der Innenfläche (6) des Werkzeugs (3) ist ein geschlossener Hohlraum (7) gebildet, in den das fließfähige Matrix-Material eingeführt wird. Die Membran (4) besteht aus einem thermoplastischen Elastomer, vorzugsweise einem thermoplastischen Vulkanisat (TPV). Eine solche Membran (4) zeichnet sich durch ein gutes Trennverhalten gegenüber Epoxidharz, eine hohe Festigkeit und Reißdehnung, eine gute Temperaturbeständigkeit und eine geringe Rückstellneigung nach dem Umformen aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Bauteils aus einem Faser-Halbzeug (Preform) mittels Infusion eines fließfähigen Matrix-Materials nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der DE 103 26 021 A1 als bekannt hervorgeht.

Die DE 103 26 021 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff, bei dem ein Faser-Halbzeug mit einem fließfähigen Matrixmaterial in Form eines flüssigen Harzes imprägniert wird. Bei diesem Verfahren, das als „Vakuuminjektionsverfahren" oder als „Resin-Infusion-Verfahren" bekannt ist, kommt eine Vorrichtung mit einer Werkzeugform zum Einsatz, auf der das Faser-Halbzeug (beispielsweise ein mehrlagiges Gewebe) angeordnet und nach außen durch eine Vakuumfolie abgedeckt wird. Zwischen dem Faser-Halbzeug und der Vakuumfolie wird ein geschlossener Raum gebildet. Dieser wird mit Unterdruck beaufschlagt, um flüssiges Harz aus einem Vorratsbehälter in den geschlossenen Raum zu saugen und das Faser-Halbzeug mit dem Harz zu imprägnieren. Damit eine gute Verteilung des flüssigen Harzes über das gesamte Bauteil gewährleistet werden kann, ist zwischen dem Faser-Halbzeug und der Vakuumfolie ein Verteilergewebe vorgesehen.

Bei dem aus der DE 103 26 021 A1 bekannten Verfahren muss die Vakuumfolie hohen Anforderungen genügen: Zum einen wird die Folie – in Abhängigkeit des gewähltem Harzsystems – bei der Infusion und dem Aushärten des Harzes erhöhten Temperaturen bis zu 120°C ausgesetzt; daher muss die Vakuumfolie eine gute Beständigkeit gegenüber Wärmebelastungen haben und unempfindlich gegenüber chemischen Beanspruchungen durch das verwendete Harzsystem sein. Weiterhin muss sie eine ausreichende Festigkeit und eine hohe Reißdehnung aufweisen, um sich – durch Dehnung und/oder Faltenlegung – der Geometrie des herzustellenden Bauteils anzupassen, ohne zu reißen.

Als Materialien für die Vakuumfolie sind unterschiedliche Werkstoffe bekannt. So schlägt beispielsweise die EP 1 150 826 B1 vor, als Vakuumfolie eine Folie aus Polyamid, PET, PEEK, PEI oder PES zu verwenden. Diese Materialien sind sehr temperaturbeständig. Bei der Herstellung komplexer Bauteile mit steilen Stufen, Hinterschneidungen etc. hat sich allerdings herausgestellt, dass diese Folien für solche Applikationen ungeeignet sind, da sie eine viel zu geringe Dehnung und Elastizität aufweisen, um sich der komplexen Teilegeometrie anzupassen. So treten bei der Dehnung bzw. Faltenlegung der Folie Risse und Lecks auf, die zu einer erhöhten Ausschussrate der hergestellten Bauteile führen. Auch die in der DE 100 13 409 C1 vorgeschlagenen Folienwerkstoffe PTFE und PET haben eine viel zu geringe Festigkeit und Elastizität und sind daher nicht bei der Herstellung von Bauteilen mit komplexer Geometrie einsetzbar.

Weiterhin schlägt die EP 1 150 826 B1 vor, als Vakuumfolie eine Polyurethanfolie einzusetzen; diese Folie kann allerdings nicht zusammen mit einem Epoxid-Harzsystem verwendet werden, da Polyurethan auf dem Epoxid haftet und sich die Vakuumfolie daher nur sehr schwer von dem fertigen Bauteil ab lösen lässt. Auch das in der EP 1 150 826 B1 vorgeschlagene Polyethylen ist ungeeignet, da es einen sehr niedrigen Schmelzpunkt (etwa 100° C) hat, während die Prozesstemperatur bei der Aushärtung von Epoxidharzen bei etwa 120° C liegt.

Schließlich ist es bekannt, Vakuumfolien aus Silikon zu verwenden. Solche Folien wurden bisher vor allem bei der Herstellung faserverstärkter Bauteile für die Luftfahrtindustrie eingesetzt. Dieser Werkstoff zeigt zwar eine gute thermische Resistenz, jedoch beeinträchtigen Spuren von Silikon, die dem fertig geformten Bauteil eventuell anhaften, bei einer nachfolgenden Lackierung das Haftverhalten der Lacke, weswegen ein Einschleppen von Silikon in Lackier-Anlagen unbedingt vermieden werden muss. Die Verwendung von Vakuumfolien aus Silikon kommt somit bei der Herstellung von Bauteilen, die anschließend lackiert werden sollen, nicht in Frage.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aus der DE 103 26 021 A1 bekannte Vorrichtung in einer solchen Weise weiterzuentwickeln, dass komplexe faserverstärkte Kunststoff-Bauteile, die anschließend lackiert werden sollen, in hoher Qualität prozesssicher und kostengünstig hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Danach wird als Vakuumfolie eine Membran aus einem thermoplastischen Elastomer verwendet. Thermoplastische Elastomere weisen eine gute Temperaturbeständigkeit bei den erhöhten Prozesstemperaturen von bis zu 150° C auf, die für die Verarbeitung vieler Harzsysteme (insbesondere von Epoxidharzen) notwendig sind. Weiterhin eignen sich diese Werkstoffe aufgrund ihrer Festigkeit und ihrer hohen Reißdehnung auch und insbesondere zur Herstellung von komplexen Bauteilen mittels Resin-Infusion-Verfahren. Hierzu wird eine vorgeformte Membran aus thermoplastischem Elastomer hergestellt, die der Geometrie des zu fertigenden Bauteils angepasst ist und die die in herkömmlichen Vorrichtungen verwendete Vakuumfolie ersetzt. Wegen der hohen Elastizität der Membran, ihrer Wärmebeständigkeit und ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Epoxidharzen können Lecks in der Membran wirksam vermieden werden. Dadurch wird die Gefahr von Porositäten der fertigen Bauteile – die zu Ausschuss führen – wesentlich reduziert.

Weiterhin zeichnen sich thermoplastische Elastomere durch ein sehr gutes Trennverhalten gegenüber Epoxidharz aus, so dass das Ablösen der Membran vom fertigen Bauteil problemlos und unaufwendig möglich ist. Dies führt zu einer wesentlichen Reduktion des (manuellen) Aufwands bei der Vorbereitung und beim Entformen der Bauteile und bringt daher Zeit- und Kostenvorteile mit sich. Außerdem kann Verbrauchsmaterial (Trennfolie, Sprühkleber ...) gespart werden. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit und ihres guten Trennverhaltens kann die Membran weiterhin – im Unterschied zu herkömmlicher Vakuumfolie – mehrfach wiederverwendet werden.

Als Werkstoffe für die Membran haben sich thermoplastische Vulkanisate (TPV) aus der Familie der thermoplastischen Elastomere als besonders gut geeignet erwiesen. Gute Ergebnisse wurden insbesondere mit TPVs erzielt, die unter dem Namen „Santoprene" (Hersteller: ExxonMobil Chemical) bzw. „Sarlink" (Hersteller: DSM) auf dem Markt sind. Vorteilhaft an diesen Werkstoffen ist die geringe Rückstellneigung nach dem Umformen. Dies ist besonders wichtig bei der Herstellung von Bauteilen mit sehr komplexer Geometrie, weil dadurch sichergestellt wird, dass die Membran die Bauteilform in allen Phasen des Prozesses beibehält (z.B. auch bei Ofenhärtung bei 120° C); dadurch kann gewährleistet werden, dass sich auch in Bereichen enger Radien auf dem Bauteil keine Harzansammlungen bilden, die ansonsten zu Ausschussteilen führen können. Wie in Versuchen ermittelt wurde, gewährleisten die erwähnten TPVs diese Formbeständigkeit bis ca. 150° C.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Membran aus thermoplastischem Elastomer eignet sich insbesondere zur Herstellung faserverstärkter Außenbeplankungsteile für den Fahrzeugbau. Diese Teile zeichnen sich u.a. durch komplexe Formgebung, Hinterschneidungen, Variationen in der Bauteildicke, steile Stufen, enge Radien etc. aus und stellen daher hohe Ansprüche an den Herstellprozess. Weiterhin müssen die Teile – als sichtbare Außenhautteile – hohen Anforderungen in Bezug auf ihre Oberflächenqualität genügen; das Herstellungsverfahren muss somit die Erzeugung von glatten, gleichförmig gekrümmten Oberflächen (sogenannten „Class-A-Oberflächen") ermöglichen, die außerdem ein gutes Anhaften von Lacken gewährleisten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der wiederverwendbaren Membran aus thermoplastischem Elastomer ermöglicht eine prozesssichere Herstellung dieser komplexen Teile in hoher Qualität.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer Membran aus TPV besteht darin, dass aufgrund des sehr guten Abform-Verhaltens einer solchen Membran unterschiedliche Oberflächenstrukturen (Texturen), die bei der Herstellung der TPV-Membran mit Hilfe des Thermoformens auf der Membran-Oberfläche erzeugt werden, auf die Bauteil-Rückseite übertragen werden können. Insbesondere kann auf diese Weise in lokal begrenzten Anbindungsbereichen der Bauteil-Rückseite eine rauere Oberflächenstruktur generiert werden, um beim späteren Fügen des fertigen Bauteils ein optimales Anhaften von Klebstoff zu erreichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faser-Halbzeug mit Hilfe des Resin-Infusion-Verfahrens;
2 eine Aufsicht auf die Vorrichtung der 1;
3 eine Detaildarstellung des Faser-Halbzeugs gemäß dem Ausschnitt III in 1;
4 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mit Hinterschneidungen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mit Hilfe des Resin-Infusion-Verfahrens. umfasst ein Werkzeug 3, auf dessen Innenfläche 6 zwei trockene Faser-Halbzeuge 2 angeordnet sind. Die Innenfläche 6 des Werkzeugs 1 weist eine der Geometrie der herzustellenden Bauteile entsprechende Form auf.
Das trockene Faser-Halbzeug 2 (auch Preform genannt) umfasst – wie in 3 im Detail dargestellt – zwei Schichten aus Carbonfasern 2A, die biaxial (± 45°) angeordnet sind. Zwischen diesen Carbonfaserschichten 2A ist eine Schicht eines Verteilergewebes 2B angeordnet. Im Unterschied zu herkömmlichen Resin-Infusion-Verfahren, bei denen das Verteilergewebe außerhalb des Faser-Halbzeugs angeordnet ist und nach dem Aushärten des Harzes abgeschält wird, befindet sich hier das Verteilergewebe 2B im Inneren des Faser-Halbzeugs 2, was bei Bauteilen für den Fahrzeugbau zu Verbesserungen im Crashverhalten führt. Um die für Beplankungsteile im Fahrzeugbau ge forderte hohe Oberflächenqualität zu erreichen, ist das Faser-Halbzeug 2 in seinen Außenbereichen mit Schichten 2C aus ungeordnetem Polyacrylnitril-Vlies (PAN-Vlies), Polyester- oder Glasfaser-Vlies, beispielsweise Viledon T1747, versehen. Ganz allgemein kann das Faser-Halbzeug 2 als Gewebe, als Multiaxialgelege oder als kettverstärktes unidirektionales Halbzeug vorliegen. Es kann insbesondere Carbonfasern (CFK), Glasfasern (GFK), Aramidfasern (AFK), Borfasern (BFK) oder Hybridwerkstoffe umfassen.
Zur Herstellung des trockenen Faser-Halbzeugs 2 werden die Schichten 2A,2B,2C gemeinsam – beispielsweise durch Vakuum-Formen bei gleichzeitiger Temperatur-Einwirkung – in eine dem fertigen Bauteil entsprechende Form gebracht. Hierzu werden entsprechende Abschnitte der Schichten 2A,2B,2C in ein Formwerkzeug eingelegt und unter Vakuum erhitzt, wodurch die Schichten 2A,2B,2C durch Aktivierung eines Bindemittels verbunden und zum Faser-Halbzeug 2 geformt werden.
Anschließend wird das geformte trockene Faser-Halbzeug 2 in das Resin-Infusion-Werkzeug 3 eingelegt und mit einem fließfähigen Matrix-Material (das im Folgenden auch als „flüssiges Harz" bezeichnet wird) imprägniert. 1 und 2 zeigen ein Werkzeug 3, mit dessen Hilfe zwei Faser-Halbzeuge 2 gleichzeitig mit flüssigem Harz imprägniert werden können. Zur Herstellung von Außenbeplankungsteilen für Kraftfahrzeuge wird als Harzsystem beispielsweise ein Bisphenol A/F-Epoxidharz verwendet, das sich durch das sehr gute Oberflächeneigenschaften auszeichnet. Als Härter kommt ein cycloalphatisches Polyamin zum Einsatz. Weitere mögliche Harzsysteme für Karosserieteile sind Ungesättigte Polyester- oder Vinylester-Harze.
Wie aus der Schnittdarstellung der 1 ersichtlich, weist die Innenfläche 6 des Werkzeug 3 – entsprechend der gewünschten Form des herzustellenden Bauteils – enge Radien 6A auf.
Am Rand 11 der Werkzeugform 3 ist beidseitig je ein Sauganschluss 8 für eine (in 1 und 2 nicht gezeigte) Pumpe vorgesehen, mit deren Hilfe ein Unterdruck erzeugt werden kann. Der Endbereich 8A des Sauganschlusses mündet in ein Atmungsgewebe 16, das ein vollständiges Absaugen der in den Faser-Halbzeugen 2 enthaltenen Luft gewähren soll und sich umlaufend über den gesamten Randbereich 11 der Werkzeugform 3 erstreckt. Zwischen dem Randbereich 12 des Faser-Halbzeugs 2 und dem Rand des Atmungsgewebes 16 ist umlaufend ein Spalt 18 vorgesehen. Dieser Spalt 18 wird durch einen (in 1 gezeigten) Streifen Abreißgewebe 10 überbrückt, der als „Fließbremse" für das angesaugte flüssige Harz wirken soll und somit den Sauganschluss 8A vor einer Kontaminierung mit Harz schützt. Die abzusaugende Luft kann diese „Fließbremse" ungehindert passieren, während der Harzfluss behindert wird. In ausgewählten Randbereichen 12A des Halbzeugs 2, in denen das fertige Bauteil später mit anderen Bauteilen verklebt werden soll, ragt das Abreißgewebe 10 in den Randbereich 12 des Halbzeugs 2 hinein; dadurch wird – aufgrund des Anhaftens des Abreißgewebes 10 an dem Harz – in diesen Randbereichen 12A eine definierte (angeraute) Oberfläche erzeugt wird, die beim späteren Fügen des fertigen Bauteils das Haftverhalten von Klebstoff fördert.
Zur Zufuhr des Matrix-Materials (d.h. des flüssigen Harzes) ist eine Zuführungsleitung 9 vorgesehen, die flüssiges Harz aus einem (in den 1 und 2 nicht gezeigten) Vorratsbehälter in das Werkzeug 3 fördert. Die Zuführungsleitung 9 weist im Bereich des Werkzeugs 3 einen Auslass 9A auf, der als Omega-Profil ausgebildet ist. Zwischen dem als Omega- Profil ausgebildeten Auslass 9A und der diesem Auslass 9A gegenüberliegenden Werkzeuginnenseite 6 ist ein Verteilergewebe 17 angeordnet, das als „Fließhilfe" für das aus der Zuführungsleitung 9 austretende flüssige Harz dient und eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Harzes in das Faser-Halbzeug 2 hinein gewährleisten soll. Zwischen dem Rand des Verteilergewebes 17 und dem Rand 12 des Faser-Halbzeugs 4 ist ein schmaler Streifen Abreißgewebe 10 vorgesehen, um nach dem Aushärten des Harzes eine leichte Abtrennung des Verteilergewebes 17 vom Bauteil zu gewährleisten. Alternativ zu dem Omega-Profil kann die Verteilung des Harzes auch durch einen Spiralschlauch erfolgen.
Die Werkzeuginnenseite 6 mit dem eingelegten Faser-Halbzeug 2 und dem darauf angeordneten Atmungsgewebe 16, Abreißgewebe 10, Verteilergewebe 17 und Auslass 9A der Harzzuführung 9 wird mit einer gasundurchlässigen Membran 4 aus einem thermoplastische Elastomer bedeckt, die außerhalb des Atmungsgewebes 16 über eine Dichtung 13 mit der Werkzeuginnenfläche 6 verbunden ist. Zwischen der Innenfläche 14 der Membran 4, der Dichtung 13 und der Werkzeuginnenfläche 6 ist somit ein geschlossener Raum 7 gebildet, der gasdicht gegenüber der Umgebung 15 versiegelt ist. Der Sauganschluss 8 für die Pumpe und die Zuführung 9 für flüssiges Matrixmaterial ragen durch die Membran 4 hindurch in den geschlossenen Raum 7 hinein, so dass durch Anlegen eines Unterdrucks an den Sauganschluss 8 flüssiges Harz aus dem Vorratsbehälter über die Zuführungsleitung 9 in den geschlossenen Raum 7 gefördert werden kann. Anstelle der Verwendung eines Omega-Profils oder eines Spiralschlauchs für den Auslass 9A kann dieser Auslass auch direkt in die Membran eingearbeitet sein. In diesem Fall muss die Wanddicke der Membran 4 groß genug sein, um ein Kollabieren des Auslasses 9A unter Vakuum und bei den Aushärte-Temperaturen zu verhindern.
Die Membran 4 besteht aus einem thermoplastischen Vulkanisat (TPV) aus der Familie der thermoplastischen Elastomere, die als hochelastische, flexible Kunststoffe bekannt sind. Die Membran 4 ist als flexibles Werkzeugoberteil ausgestaltet; das bedeutet, dass die Membran 4 (im Unterschied zu den in herkömmlichen Vorrichtungen verwendeten dünnen Vakuumfolien) eine vergleichsweise große Materialstärke von 0.5 – 3.0 mm aufweist und einerseits elastisch und flexibel ist, andererseits aber eine (permanente) Form aufweist, die dem herzustellenden Bauteil bzw. der Werkzeuginnenseite 6 angepasst ist. Die Membran 4 schmiegt sich somit glatt und ohne Faltenwurf an das Faser-Halbzeug 2 an, so dass eine glatte Innenfläche 14 der Membran 4 sich auf der Oberfläche des fertigen Bauteils abbildet und auf dem fertigen Bauteil eine qualitativ hochwertige, glatte Außenfläche schafft. Das thermoplastische Vulkanisat zeichnet sich durch ein sehr gutes Trennverhalten gegenüber Epoxidharz aus, so dass die Membran 4 sich leicht von dem fertigen Bauteil ablösen lässt.
Zur Herstellung der Membran 4 wird eine entsprechend dimensionierte flache thermoplastische Elastomerfolie mit einer Materialstärke zwischen 0.5 mm und 3.0 mm durch Thermoformen in die gewünschte dreidimensionale Form umgeformt. Abweichende Wanddicken können je nach Einsatzfall sinnvoll sein. Die untersuchten TPVs werden typischerweise bei Temperaturen von etwa 180°C umgeformt. Eine auf diese Weise hergestellte Membran 4 zeigt hervorragende Formstabilität, gute Festigkeit, hohe Reißdehnung und Temperaturbeständigkeit bei Arbeitstemperaturen von etwa 120° C.
Aufgrund des sehr guten Abform-Verhaltens einer Membran aus TPV können Oberflächenstrukturen (Texturen), die beim Thermoformen der TPV-Membran auf der Membran-Oberfläche erzeugt wurden, auf die Bauteil-Rückseite übertragen werden. Auf diese Weise können beispielsweise auf der Bauteiloberfläche Gebiete 12A mit lokalen Aufrauungen (als Haftverbesserung für Klebstoff in einem späteren Fügeschritt) erzeugt werden, ohne dass hierfür – wie oben beschrieben – Abreißgewebe 10 in diesen Randbereichen 12A vorgesehen zu werden braucht.
Da der Membranwerkstoff sich leicht vom fertigen Bauteil lösen lässt und außerdem während des mehrstündigen Harzaushärtungszyklus' bei 120° C im Ofen keine Alterung zeigt, kann eine solche Membran 4 aus thermoplastischem Elastomer (im Unterschied zu den herkömmlicherweise verwendeten dünnen Vakuumfolien) mehrfach wiederverwendet werden. Dies führt zu einer erheblichen Einsparung von Verbrauchsmaterial und somit zu Kostenreduktionen bei der Herstellung dieser Bauteile. Weiterhin wird der manuelle Aufwand bei der Vorbereitung des Resin-Infusion-Prozesse und dem Entformen der Bauteile wesentlich reduziert. Schließlich wird das Risiko von Leckagen und somit die Ausschussquote erheblich vermindert.
Der als Omega-Profil oder Spiralschlauch ausgestaltete Auslass 9A der Harz-Zuführungsleitung 9 wird in einer Ausbuchtung 4A der Membran 4 aufgenommen, so dass – ohne Schablone – eine präzise Ausrichtung des Omega-Profils 9A gegenüber den Faser-Halbzeugen im Werkzeug 3 gewährleistet ist; damit wird eine hohe Reproduzierbarkeit der Fließfront des einströmenden flüssigen Harzes erreicht, was eine konstant hohe Qualität der fertigen Bauteile zur Folge hat.
Ist die Membran 4 über die Dichtung 13 fest mit der Werkzeuginnenfläche 6 verbunden, so wird durch Anlegen eines Unterdrucks an die Saugeinrichtung 8 flüssiges Harz über die Zuführung 9 in den Hohlraum 7 zwischen Membraninnenfläche 14 und Werkzeuginnenfläche 6 gefördert und dort über das Vertei lergewebe 17 zu den Faser-Halbzeugen 2 geleitet. Wenn das flüssige Harz die Faser-Halbzeuge 2 vollständig durchdrungen hat, wird das Werkzeug 3 zusammen mit den darin enthaltenen harzgetränkten Faser-Halbzeugen 2 in einen regelbaren Ofen verbracht, in dem das Harz ausgehärtet wird. Bei Verwendung von Bisphenol A/F-Epoxidharz wird das harzgetränkte Faser-Halbzeug 2 zunächst auf einer Temperatur von etwa 90° C angeliert und anschließend auf einer Temperatur von etwa 120° C ausgehärtet. Während des gesamten Härteprozesses muss der Unterdruck im geschlossenen Raum 7 aufrechterhalten bleiben, um ein porenfreies Bauteil mit hoher Oberflächenqualität zu erhalten.
In Abhängigkeit von dem gewählten Harzsystem kann bereits die Infusion des flüssigen Harzes in den Hohlraum 7 der Werkzeugform 3 mit einer thermischen Behandlung einhergehen. In diesem Fall wird das Werkzeug 3 und der Harz-Vorratsbehälter während der gesamten Prozessdauer auf einer erhöhten Temperatur gehalten; dies kann beispielsweise mit Hilfe von Heizplatten, einer Wärmekammer, durch Eintauchen in eine heizbare Flüssigkeit (Ölbad) oder durch Einbringen in den regelbaren Ofen erfolgen.
Nach Abkühlen des Werkzeugs 3 mit den darin enthaltenen Bauteilen wird die Membran 4 abgenommen und die Bauteile aus der Werkzeugform 3 entnommen. Anschließend werden die Bauteile auf ihre endgültige Form beschnitten und evtl. lackiert.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1' mit einem Werkzeug 3', dessen Innenfläche 6' eine Hinterschneidung 6B zur Herstellung eines hinterschnittenen Bauteils aufweist. Um ein einfaches Einlegen des zugehörigen, mit einer Hinterschneidung 2B versehenen Faser-Halbzeugs 2' in das Werkzeug 3' zu ermöglichen, ist das Werkzeug 3' zwei- oder mehrteilig ausgestaltet und umfasst neben einem Unterwerkzeug 3A ein oder mehrere Zusatz-Werkzeugteile (Losteile) 3B, das nach dem Einlegen des Faser-Halbzeugs 2' mit dem Unterwerkzeug 3A verbunden wird. Ebenso wie in der Vorrichtung der 1 ist das Faser-Halbzeug 2' und die Werkzeuginnenfläche 6' mit einer flexiblen, der Bauteilform angepassten Membran 4' abgedeckt, die vom Sauganschluss 8 und der Zuführleitung 9 für flüssiges Matrix-Material durchdrungen wird und randseitig durch eine Dichtung 13 mit der Werkzeuginnenfläche 6' verbunden ist.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Bauteils aus einem Faser-Halbzeug (Preform) mittels Infusion eines fließfähigen Matrix-Materials – mit einem Werkzeug zum Anordnen des Faser-Halbzeugs und – mit einer gasundurchlässigen Folie, die bereichsweise um das Faser-Halbzeug angeordnet ist und die für sich alleine oder zusammen mit einer Werkzeuginnenfläche einen geschlossenen Raum bildet, in den Matrix-Material einführbar ist dadurch gekennzeichnet, dass die gasundurchlässige Folie eine Membran (4) aus einem thermoplastische Elastomer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) aus einem thermoplastischen Vulkanisat (TPV) aus der Familie der thermoplastischen Elastomere besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) eine dreidimensionale Form aufweist, die der Werkzeuginnenseite (6) mit eingelegtem Faser-Halbzeug (2) und den auf der Bauteilrückseite positionierten Verbrauchsmaterialien (10,16,17) angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) durch Vakuum-Umformen oder druckunterstütztes Vakuum-Umformen aus einer thermoplastischen Elastomerfolie mit einer Materialstärke zwischen 0.5 mm und 3.0 mm geformt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine durch die Membran (4) hindurch in den geschlossenen Raum (7) mündende Zuführung (9) für fließfähiges Matrix-Material umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den geschlossenen Raum (7) ragender Auslass (9A) der Matrix-Material-Zuführung (9) zumindest abschnittsweise als Omega-Profil ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Membran (4) eine Ausbuchtung (4A) zur Aufnahme des Auslasses (9A) der Matrix-Material-Zuführung (9) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Faser-Halbzeug (2) und dem Auslass (9A) der Matrix-Material-Zuführung (9) ein flächiges Verteilergewebe (17) als Fließhilfe für das fließfähige Matrix-Material angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) einen durch die Membran (4) hindurch in den geschlossenen Raum (7) mündenden Anschluss (8) für eine Saugeinrichtung umfasst, mit deren Hilfe das fließfähige Matrix-Material aus einem Vorratsbehälter in den geschlossenen Raum (7) gesaugt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (8) der Saugeinrichtung abschnittsweise von einem Atmungsgewebe (16) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Atmungsgewebe (16) sich in Form eines Streifens umlaufend über den gesamten Randbereich (11) der Werkzeugform (3) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Faser-Halbzeug (2) und dem Atmungsgewebe (16) ein Spalt (18) gebildet ist, der durch einen Streifen eines Abreißgewebes (10) überbrückt wird.
Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von faserverstärkten Außenbeplankungsteilen für Kraftfahrzeuge.