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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoff-Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, einen Vorformling gemäß Anspruch 11 für ein solches Verfahren sowie ein Faserverbundkunststoff-Bauteil gemäß Anspruch 12.
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Im Fahrzeugbau wird für die Serienfertigung von Hochleistungsbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Molding) angewendet. Mit Hilfe des RTM-Verfahrens können Bauteile in großer Stückzahl sowie hohen Faser-Volumengehalten reproduzierbar in kurzen Zykluszeiten hergestellt werden.
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In einem gattungsgemäßen Verfahren wird ein noch trockenes (das heißt noch nicht mit Matrixmaterial durchtränktes), bereits umgeformtes Faserhalbzeug (das heißt Preform) in eine zumindest durch zwei Werkzeugteilen gebildete Werkzeugkavität eingelegt. Anschließend wird die Werkzeugkavität geschlossen und das Faserhalbzeug unter Druck und Hitze mit einer flüssigen Ausgangskomponente des Matrixmaterials durchtränkt. In einer, die Kavität definierenden Formfläche eines der Werkzeugteile ist in gängiger Praxis ein Klemmelement integriert, das bei geschlossenem Werkzeug am Kavitätsrand umlaufend eine Klemmkraft auf das Faserhalbzeug ausübt, um dieses in der Werkzeugkavität zu fixieren. Dadurch können die Fasern im Faserhalbzeug selbst bei hohen Injektionsdrücken lagesicher in der Werkzeugkavität gehalten werden. Zudem muss während des Injektionsprozesses die Dichtheit der Kavität stets gewährleistet sein, um ein Austreten des noch nicht ausgehärteten Matrixmaterials aus dem Werkzeug zu vermeiden. Um die Dichtheit des Werkzeug zu gewährleisten, sind in gängiger Praxis in der Teilungsebene zwischen den beiden Werkzeugteilen zum Beispiel Dichtschnüre angeordnet. Diese verlaufen außerhalb der Werkzeugkavität und sind in werkzeugseitigen Dichtungsnuten aufgenommen.
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Ein derartiges Verfahren ist beispielhaft aus der
DE 10 2011 077 468 A1 bekannt, bei dem zur Bereitstellung einer Dichtung an der Formfläche eines Oberwerkzeugs eine Presskimme ausgebildet ist, die bei geschlossener Werkzeugkavität ein Fasergewebe gegen die Werkzeugwirkfläche eines Unterwerkzeuges klemmt und hierbei auch geringfügig komprimiert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoff-Bauteils bereitzustellen, bei dem die Werkzeugkomplexität im Vergleich zum Stand der Technik reduzierbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1, 11 oder 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass im Stand der Technik das zur Faserklemmung erforderliche Klemmelement nur mit hohem fertigungstechnischen Aufwand in dem Werkzeug integrierbar ist. Gleiches trifft auch auf die Dichtungsnuten für die Dichtschnüre zu, die außerdem nicht verschleißfest sind, sondern bereits nach wenigen Fertigungszyklen ersetzt werden müssen. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 auf solche Dichtungsnuten sowie Klemmelemente verzichtet und es wird anstelle dessen ein Funktionsteil bereitgestellt, das zusammen mit dem noch trockenen Faserhalbzeug in die Werkzeugkavität eingelegt wird. Das Funktionsteil übernimmt dabei die Abdichtfunktion und/oder zusätzlich auch die Klemmfunktion während des Injektionsprozesses. Nach erfolgter Aushärtung ist das Funktionsteil ein einstückiger Bestandteil des Faserverbundkunststoff-Bauteils. Im Unterschied zum Stand der Technik bildet daher das Funktionsteil eine Einmaldichtung, die zu einer wesentlich besseren Reproduzierbarkeit des RTM-Prozesses führt, da kein Verschließ von Dichtschnüren über die Zeit vorliegt.
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Besonders bevorzugt kann vor dem Einlegen des Faserhalbzeugs ein Applikationsschritt erfolgen, bei dem das Funktionsteil unter Bildung eines einteiligen Vorformlings auf das Faserhalbzeug appliziert wird. Der Vorformling wird dann in das Werkzeug eingelegt. Gegebenenfalls kann zur Bildung des Funktionsteils im Applikationsschritt ein flüssiges und schnell aushärtendes, aufschäumendes Kunststoffmaterial robotergestützt auf das Faserhalbzeug appliziert werden.
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Besonders bevorzugt kann das Funktionsteil gleichzeitig sowohl als Dichtelement als auch als Klemmelement wirken. In diesem Fall kann das Funktionsteil einen Dichtungsabschnitt aufweisen, mit dem eine der geschlossenen Kavität zugewandte Verbindungsfuge zwischen den beiden Werkzeugteilen fluiddicht sowie druckdicht abgedichtet wird. Zudem kann das Funktionsteil einen Klemmabschnitt aufweisen, der unter Aufbau der Klemmkraft zwischen einer Werkzeugformfläche und dem Faserhalbzeug zwischengeklemmt wird und das Faserhalbzeug in der Werkzeugkavität lagesicher hält.
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Wie oben dargelegt, kann der Dichtungsabschnitt und der Klemmabschnitt des Funktionselements örtlich voneinander getrennt sein. Alternativ dazu können die Dichtfunktion und die Klemmfunktion auch gemeinsam über einen einzigen Abschnitt des Funktionsteils erreicht werden.
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Beim Schließvorgang des Werkzeuges kann die Kavitätshöhe zwischen den Werkzeugteilen bis zum Erreichen einer endgültigen Bauteil-Höhe reduziert werden. Das auf dem Faserhalbzeug applizierte Funktionsteil kann so gestaltet sein, dass es sich beim Schließvorgang plastisch oder elastisch deformiert, und zwar unter Aufbau seiner Klemmwirkung und/oder seiner Dichtwirkung. Gegebenenfalls kann das Funktionsteil aus einem PUR-Schaummaterial gefertigt sein, dessen Materialstärke unter Druck und/oder Hitze kompaktiert wird.
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Nach erfolgter Aushärtung des Faserverbundkunststoff-Bauteils kann ein Schneidschritt erfolgen, in dem das Funktionsteil vom Bauteil abgetrennt wird, und zwar unter Bildung einer endgültigen Bauteil-Randkontur. Alternativ dazu kann das im Bauteil einstückig integrierte Funktionsteil bereits die endgültige Bauteil-Randkontur bilden und gegebenenfalls sogar noch Zusatzfunktionen, wie etwa Vibrationsschutz oder Dichtfunktionen, übernehmen.
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Der oben erwähnte Dichtabschnitt des Funktionsteils kann im Profil U-förmig gestaltet sein. In diesem Fall kann der Dichtabschnitt eine Randkante des Faserhalbzeuges beidseitig umgreifen und das Faserhalbzeug insbesondere umfangsseitig vollständig umziehen. Demgegenüber sind die Klemmabschnitte des Funktionsteiles in der Bauteil-Umfangsrichtung über Teilungsabstände voneinander beabstandet, das heißt diese verlaufen im Gegensatz zum Dichtungsabschnitt nicht durchgängig in der Bauteil-Umfangsrichtung.
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Alternativ zur obigen Funktionsteil-Geometrie kann das Funktionsteil auch nur einseitig an einer Faserhalbzeugseite appliziert sein. Der Klemmabschnitt des Funktionsteils kann bei geschlossener Werkzeugkavität zwischen einer Werkzeugformfläche und einer zugewandten Faserhalbzeug-Seite zwischengeklemmt sein und das Faserhalbzeug unmittelbar auf die gegenüberliegende Werkzeugformfläche fixieren.
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Die Erfindung ist insbesondere auch auf ein Spaltinjektionsverfahren anwendbar, bei dem in einem ersten Formgebungsschritt die beiden Werkzeughälften noch nicht vollständig geschlossen werden, sondern zunächst bis auf eine erste Kavitätshöhe geschlossen werden, und zwar unter Bildung eines Spalts zwischen einer Faserhalbzeug-Seite und einer zugewandten Werkzeugformfläche. Das Funktionsteil kann dabei so ausgelegt sein, dass es bereits im ersten Formgebungsschritte seine Klemmwirkung und seine Dichtwirkung entfaltet. Im folgenden zweiten Formgebungsschritt wird die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials in den Spalt injiziert und flächig über die Faserhalbzeug-Oberseite (mit geringem Strömungswiderstand) verteilt. In einem dritten Formgebungsschritt wird die Werkzeugkavität bis auf eine, der Bauteilhöhe entsprechende Kavitätshöhe geschlossen, wodurch das Faserhalbzeug mit dem Matrixmaterial durchtränkt wird. Das Funktionselement dichtet in allen Prozessschritten ab.
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Nachfolgend werden nochmals die wesentlichen Vorteile der Erfindung zusammengefasst: So führt der Einsatz des Funktionsteils als Einmaldichtung zu einer höheren RTM-Reproduzierbarkeit. Zudem wird die Werkzeugkomplexität verringert, da Dichtnuten sowie außerhalb des Bauteils liegende Elemente, wie zum Beispiel Vakuumbausteine, entfallen. Eine weitere Werkzeugvereinfachung ergibt sich durch den Entfall einer fixen Faserklemmung. Die Werkzeugformflächen können somit plan konstruiert werden. Die Klemmwirkung des Funktionsteils kann in einfacher Weise durch Variation von Härte und/oder Masse des Kunststoffmaterials des Funktionsteils angepasst werden. Zudem kann die Handhabung des Vorformlings optimiert werden, da dieser durch das angespritzte (applizierte) Funktionsteil eine höhere Steifigkeit aufweist und speziell ein Ausfransen der Faserhalbzeug-Randkanten vermieden wird. Durch die direkte Anbindung des Funktionsteils am Faserhalbzeug entstehen zudem keine Materialabschnitte aus reinem Matrixmaterial außerhalb des Bauteils. Hierdurch kann die Menge der für die Bauteilherstellung benötigten Kunststoffmatrix reduziert werden und auch der Vorformling näher an seine Endkontur angepasst werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Materialnutzungsgrades. Bei am Bauteil verbleibendem Funktionsteil ist die Randkante des fertig gestellten Bauteils zudem gegen Stöße und/oder Feuchtigkeitsaufnahme geschützt. Desweiteren wird durch das angespritzte Funktionsteil das sogenannte Race-Tracking (Vorschießen der Matrixmaterial-Front über den Randbereich der Kavität hinaus) verhindert und der RTM-Prozess in seiner Durchführung weiter stabilisiert.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können -außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in einer Teilschnittansicht ein fertig gestelltes Faserverbundkunststoff-Bauteil;
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2 bis 6 jeweils Ansichten, die die Herstellung des Bauteils veranschaulichen;
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7 und 8 jeweils Ansichten entsprechend der 3; und
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9 eine Ansicht, anhand der ein nicht von der Erfindung umfasstes Herstellungsverfahren veranschaulicht ist.
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Für ein einfacheres Verständnis der Erfindung wird zunächst anhand der 9 ein nicht von der Erfindung umfasstes, gängiges Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoff-Bauteils beschrieben. Demzufolge ist in der 9 ein aus zwei Werkzeugteilen 1, 3 gebildetes Werkzeug in einem geschlossenen Zustand gezeigt, in dem die Formflächen 5, 7 der Werkzeugteile 1, 3 eine Werkzeugkavität 9 definieren. In der Werkzeugkavität 9 ist ein noch trockenes, das heißt noch nicht vom Matrixmaterial durchtränktes Faserhalbzeug 19 eingelegt.
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Zur Abdichtung der Werkzeugkavität 9 ist außerhalb der Werkzeugkavität 9 ein aus zwei umlaufenden Dichtschnüren gebildetes Dichtelement 11 angeordnet. Die Dichtschnüre sind jeweils in einer dem oberen Werkzeugteil 1 zugewandten Kontaktfläche des unteren Werkzeugteils 3 gebildeten Dichtnut 13 angeordnet. Zwischen den beiden einander zugewandten Kontaktflächen der Werkzeugteile 1, 3 ergibt sich ein schmaler Trennspalt, der an einer Verbindungsfuge 15 in die Werkzeugkavität 9 mündet. Die beiden Werkzeugformflächen 5, 7 gehen an der Verbindungsfuge 15 ineinander über. Zudem ist an der Formfläche 5 des oberen Werkzeugteils 1 ein Klemmelement 17 als ein materialfester Vorsprung ausgebildet. Das Klemmelement 17 fixiert in der 9 den Randbereich des Faserhalbzeugs gegen die Formfläche 7 des unteren Werkzeugteiles 3, und zwar unter Aufbau einer Klemmkraft FK. In der 9 ist ein Prozesszustand unmittelbar vor dem Injektionsvorgang gezeigt, bei dem eine flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials in die geschlossene Werkzeugkavität 9 injiziert wird.
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Das Faserhalbzeug 19 wird mittels des Klemmelementes 17 umlaufend geklemmt, so dass im Injektionsprozess keine Verschiebung der Fasern erfolgt. Die umlaufende Faserklemmung erfordert jedoch ein Mindestmaß m von zum Beispiel mehr als 10 mm, um eine ausreichende Faser-Fixierung zu gewährleisten. Nach der Aushärtung wird in einem Schneidschritt der nicht mehr erforderliche Klemmbereich vom gebildeten Bauteil weggeschnitten. Der materialintensive Klemmbereich ist somit lediglich für einen einwandfreien Injektionsprozess erforderlich, jedoch anschließend ohne weitere Funktion. Hierdurch ist der Materialnutzungsgrad des kostenintensiven Faserhalbzeuges entsprechend verringert. Überdies muss die aufgrund der Faserklemmung größer bemessene Werkzeugkavität 9 mit Matrixmaterial gefüllt werden, was den Materialaufwand noch weiter erhöht. Überdies ist das im Werkzeug eingebrachte Klemmelement 17 ortsfest und so ausgelegt, dass es speziell auf nur eine einzige Bauteilhöhe anwendbar ist. Das heißt, dass sich unterschiedliche Bauteilhöhen zum Beispiel durch Variationen des Lagenaufbaus des Faserhalbzeugs 19 nicht im selben Werkzeug mit gleichen Klemmeigenschaften realisieren lassen. Ebenso wenig ist mit dem in der 9 gezeigten Werkzeugaufbau ein Spaltinjektionsverfahren durchführbar.
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Nachfolgend ist anhand der 1 bis 8 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines in der 1 gezeigten Faserverbundkunststoff-Bauteils 21 gezeigt. Wie aus der 1 hervorgeht, ist das Bauteil 21 flächig mit einer Bauteilhöhe h ausgebildet, und zwar mit einem Faserhalbzeug 19, das in einem Matrixmaterial 23 eingebettet ist. Die Bauteil-Randkontur 25 ist in der 1 durch ein Funktionsteil 27 gebildet, das ein einstückiger Bestandteil des Bauteils 21 ist. Das Funktionsteil 27 ist im Profil in etwa U-förmig gestaltet und umgreift beidseitig eine Randkante 29 (2) des Faserhalbzeugs 19. Das Funktionsteil 27 weist in der 1 eine Materialstärke Δm3 auf und umzieht das flächige Bauteil 21 umfangsseitig.
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Für die Herstellung des Bauteils 21 wird zunächst gemäß der 2 das noch trockene Faserhalbzeug 19 bereitgestellt, das bereits in etwa die Geometrie des späteren Bauteils abbilden kann. Anschließend wird in einem Applikationsschritt das Funktionsteil 27 auf das Faserhalbzeug 19 appliziert, wie es in der 3 gezeigt ist. Das Funktionsteil 27 ist hier beispielhaft ein PUR-Schaum, der mit einer, im Vergleich zur Materialstärke m3 (1) größeren Materialstärke m1 auf die Faserhalbzeugkante 29 appliziert wird. Nach erfolgter Aushärtung des PU-Schaummaterials des Funktionsteils 27 wird der so gebildete Vorformling 31 in die Werkzeugkavität 9 (4) eingelegt.
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Wie aus der 3 hervorgeht ist das Funktionsteil 27 in einen Dichtabschnitt 33 und in einen Klemmabschnitt 35 aufgeteilt. Der Dichtabschnitt 33 ist im Wesentlichen. U-profilförmig ausgeführt und umgreift beidseitig die Faserhalbzeugkante 29. Der Dichtabschnitt 33 kann zum Beispiel das Faserhalbzeug 19 umfangsseitig vollständig umziehen.
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Es ist jedoch hervorzuheben, dass die oben dargelegte Trennung von Dicht- und Klemmabschnitt lediglich eine Ausführungsvariante der Erfindung ist. Bevorzugt ist es, wenn die Dichtfunktion und die Klemmfunktion gemeinsam über einen einzigen Abschnitt des Funktionsteils 27 erreicht werden.
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Der in der 3 gezeigte obere U-Schenkel des Dichtabschnittes 33 ist mit dem Klemmabschnitt 35 verlängert. Insgesamt können am Dichtabschnitt 33 eine Reihe solcher Klemmabschnitte angeformt sein, die in Umfangsrichtung über vorgegebene Teilungsabstände voneinander beabstandet sind. Alternativ dazu kann auch nur ein umfangsseitig durchgängiger Klemmabschnitt 35 ausgebildet sein, der eine teilweise oder vollständig umlaufende Faserklemmung bewirkt.
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Nach dem Einlegen des Vorformlings 31 in die Werkzeugkavität (4) kann ein Spaltinjektionsverfahren erfolgen, bei dem in einem ersten Schritt das obere Werkzeugteil 1 bis auf eine erste Kavitätshöhe h2 (5) geschlossen wird. In der 4 und 5 ist zwischen der Werkzeugfläche 5 des oberen Werkzeugteils 1 und der Faserhalbzeug-Oberseite ein freier Spalt 37 gebildet. Das Funktionsteil 27 wird beim Schließvorgang bis zur ersten Kavitätshöhe h2 plastisch oder elastisch deformiert, und zwar unter Aufbau seiner Klemmwirkung sowie seiner Dichtwirkung, bei der das Funktionsteil 27 die werkzeugseitige Verbindungsfuge 15 fluid- und druckdicht verschließt. Alternativ zum oben skizzierten Spaltinjektionsverfahren kann auch ein normaler RTM-Prozess ohne Spalt 37 gefahren werden.
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In einem zweiten Prozessschritt wird die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials 23 in den Spalt 37 injiziert und dort bei entsprechend reduziertem Fließwiderstand flächig verteilt (5). Anschließend wird in einem dritten Prozessschritt (6) die Werkzeugkavität 9 bis auf eine, der Bauteilhöhe b entsprechende Kavitätshöhe h3 geschlossen, wodurch das Faserhalbzeug 19 mit dem Matrixmaterial 23 durchtränkt wird.
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Beim Schließen der Werkzeugteile 1, 3 bis auf die zweite Kavitätshöhe h3 wird das Funktionsteil 27 mit seinem Klemmabschnitt 35 und seinem umlaufenden Dichtabschnitt 33 von seiner Materialstärke m2 bis auf die Materialstärke m3 reduziert und einstückig sowie flächenbündig in dem Bauteil 21 integriert.
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In den 7 und 8 sind alternative Ausführungen des in der 3 gezeigten Vorformlings 31 dargestellt. Gemäß der 7 ist lediglich an der Oberseite des Faserhalbzeugs 19 das Funktionsteil 27 appliziert. Die Härte und/oder die Masse des angespritzten Kunststoffmaterials (zum Beispiel ein PUR-Schaum) ist derart angepasst, dass bei dem Schließen der Werkzeugkavität 9 sich die oben definierte Klemmwirkung und Dichtwirkung einstellt. Gleiches trifft auch auf die 8 zu, bei der das Funktionsteil 27 im Querschnitt U-profilförmig ausgeführt ist. In der 8 weist der obere U-Schenkel des Funktionsteils 27 eine Materialverdickung auf. Beim Schließen der Werkzeugkavität 9 wird die Materialverdickung des oberen U-Schenkels des Funktionsteils 27 in Richtung Faserhalbzeug-Mitte ausgeweitet, wodurch sich ein Klemmabschnitt 35 ergibt, mit dem das Faserhalbzeug 19 gegen die Formfläche 7 des unteren Werkzeugteils 3 gedrückt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077468 A1 [0004]