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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 4.
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Faserverbundbauteile, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen und glasfaserverstärkten Kunststoffen, sind in vielfältiger Form, insbesondere bei der Herstellung von Luftfahrzeugen, im Einsatz. Dabei werden vermehrt auch kritische Komponenten, wie Tragflächen und Flügelmittelkästen aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt.
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Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen bestehen dabei in der Regel aus mehreren Lagen Fasermaterial, welche mit einem Matrixsystem (beispielsweise Harz) getränkt und infiltriert werden, so dass sich nach dem Aushärten der Matrix die einzelnen Elemente zu einem neuen Werkstoff verbunden haben. Bei der Fertigung derartiger Faserverbundbauteile werden grundsätzlich zwei unterschiedliche Herstellungsverfahren unterschieden: die Prepreg-Technologie und die Injektionstechnologie.
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Bei der Prepreg-Technologie werden vorgetränkte Faserhalbzeuge verwendet, die dann in ein Formwerkzeug eingelegt und durch Aushärtung letztendlich das gewünschte Faserverbundbauteil erzeugen. Hierdurch kann der Aufwand bei Aufbau und Betreiben des Herstellungs-Formwerkzeuges reduziert werden. Allerdings müssen die vorgetränkten Faserhalbzeuge bei niedrigen Temperaturen gelagert werden, um dem Aushärtungsprozess entgegenzuwirken. Darüber hinaus haben derartig vorgetränkte Faserhalbzeuge nur eine begrenzte Haltbarkeitsdauer und sie lassen sich aufgrund des vorhandenen Matrixmaterials schlechter verformen und sind somit für komplexere Geometrien nur bedingt einsetzbar.
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Bei der Injektionstechnologie hingegen werden trockene Faserhalbzeuge verwendet. Diese trockenen Faserhalbzeuge werden in das formgebende Formwerkzeug eingebracht und anschließend über eine Injektionsleitung mit dem Matrixsystem infiltriert. Um die Qualität des herzustellenden Bauteils weiter zu erhöhen, werden darüber hinaus häufig Vakuumaufbauten verwendet, bei denen das Formwerkzeug und die darin enthaltenen Faserhalbzeuge zunächst evakuiert und dann mit dem Matrixsystem infiltriert werden. Auch die Verwendung eines Autoklaven ist häufig anzutreffen. Der ungleich höhere Anlagenaufwand wird bei der Injektionstechnologie hingegen durch die einfache Handhabe und Lagerung der Faserhalbzeuge ausgeglichen.
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Bei komplexen Bauteilgeometrien und hohen Lagenanzahlen der Faserlagen werden meist erst sogenannte Sub-Preformen aufgebaut, die anschließend zu einer fertigen Preform bzw. Halbzeug zusammengesetzt werden. Die Preformen werden dabei geometrisch verformt und drapiert in das Formwerkzeug eingebracht, um die komplexe Bauteilgeometrie des Faserverbundbauteils, das hergestellt werden soll, zu erhalten. Beim Zusammenführen unterschiedlicher Sub-Preformen oder Faserlagen kommt es durch Verschiebungen innerhalb der Faserlagen häufig zu Ondulationen, also Materialstauchungen bzw. -verschiebungen, die sich in Falten innerhalb des Faserverbundbauteils niederschlagen. Diese Materialfaltungen sind schädlich für das spätere Bauteil und beeinträchtigen dessen Strukturverhalten sowie werden Bauteilabmessungen verändert, was zu Toleranzproblemen führen kann.
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Abhängig von der Geometriekomplexität der Faserverbundbauteile kann der Faltenbildung dadurch entgegengewirkt werden, dass in das Fasermaterial Einschnitte vorgenommen werden, so dass eine Kraftübertragung in Einschnittsbereichen aufgrund der durchtrennten einzelnen Fasern nicht mehr möglich ist. Um die mit diesen Einschnitten einhergehenden Qualitäts- und Stabilitätsverluste zu kompensieren, werden die Faserverbundbauteile strukturell überdimensioniert und mit hohen Sicherheitsfaktoren gefertigt, so dass die späteren Faserverbundbauteile ein höheres Gewicht aufweisen und zudem in der Produktion teurer sind.
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Ein weiteres Problem besteht bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen mit Hilfe von mehrteiligen Werkzeugformen darin, dass durch das Zusammenpressend der Werkzeugformen durch auftretende Materialfaltungen innerhalb der Faserlagen es zu unterschiedlichen Dichteverteilungen innerhalb der Preform kommt, die dann dazu führen, dass in den Bereichen der Materialfaltung und somit einhergehender Dichteerhöhung es zu einer mangelnden Infiltration des Fasermaterials mit dem Harz kommt. Derartige Schwachstellen führen dann in der Regel zum Ausschluss des entsprechenden Bauteils.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Bauteilkanten der Preformen exakt auf das Formwerkzeug abgestimmt sein müssen, da durch Spalte der Harzfluss extrem beeinflussbar ist.
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Aus der
DE 10 2008 017 381 A1 ist ein Verfahren und ein Hilfsmittel zur Herstellung von Faserverbundbauteilen bekannt, bei dem an eine formgebende Werkzeugoberfläche ein Fasergelege drapiert und anschließend das Ganze mit einer Vakuumfolie abgedichtet wird, wobei auf die Vakuumfolie ein Hilfsmittel angelegt wird, das an bestimmten Stellen Druckerzeugungselemente aufweist, mit denen ein Druck auf die Vakuumfolie und das Fasergelege ausgeübt werden kann.
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Aus der
DE 10 2008 023 629 A1 ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung von integral gebildeten Hohlbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen bekannt, bei dem über einen Metallhohlkörper ein Schlauch gespannt wird, der mit einem Fluid druckbeaufschlagbar ist. Anschließend wird auf den Schlauch das Faserhalbzeug des herzustellenden Bauteils drapiert, wobei abschließend das Ganze in einen vorgegebenen Hohlkörper eingebracht wird.
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Aus der
DE 10 2009 017 512 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, bei dem ein erstes Werkzeug und ein zweites Werkzeugteil und ein dazwischen vorgesehenes Faserhalbzeug zusammengestellt wird. Zwischen dem Faserhalbzeug und dem zweiten formgebenden Werkzeugteil ist eine Folie vorgesehen, welche das Faserhalbzeug gegenüber dem ersten Werkzeugteil abdichtet, wobei zwischen der Folie und dem zweiten Werkzeugteil ein Hohlraum gebildet wird, der mit einem Fluid druckbeaufschlagbar ist.
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Ähnliches ist auch aus der
DE 10 2007 023 229 A1 bekannt, bei dem das Formwerkzeug eine flexible Gegenlage aufweist, die an einem Werkzeugteil angeordnet ist, wobei unter dem Werkzeugteil der flexiblen Gegenlage ein Hohlraum gebildet wird, der mit Druck beaufschlagt werden kann, um so auf das Fasergelege einen Druck mit Hilfe der flexiblen Gegenlage auszuüben.
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Schließlich ist aus der
DE 695 21 530 T2 ein Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstoffen bekannt, bei dem das Fasergelege zwischen zwei formgebende Werkzeugteile eingespannt wird. Zwischen dem Fasergelege und der jeweiligen Werkzeugform ist darüber hinaus eine flexible Membran vorgesehen, die einen Hohlraum zwischen dem Werkzeugteil und der Membran bildet, wobei hier dieser Hohlraum gegebenenfalls mit einem Fluid druckbeaufschlagbar ist.
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Aus der
EP 2 008 797 A1 ist ein mehrteiliges Formwerkzeug mit einem Unterteil und einem Oberteil sowie einem flexiblen, dazwischen liegenden Werkzeugteil bekannt. In dem flexiblen Werkzeugteil sind mit einem Fluid druckbeaufschlagte Kammern vorgesehen, umso einen hydraulischen Druck auf das zwischen dem Unterteil und dem flexiblen Werkzeugteil liegende Fasermaterial bewirken zu können.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Formwerkzeug und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils anzugeben, mit dem insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile bei komplexen Bauteilgeometrien vermieden werden können und mit denen gleichzeitig auch hohe Stückzahlen mit einem annehmbaren Aufwand gefertigt werden können.
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Die Aufgabe wird mit einem Formwerkzeug gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 4 erfindungsgemäß gelöst.
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Erfindungsgemäß wird zur Herstellung eines Faserverbundbauteils ein Formwerkzeug vorgeschlagen, das zumindest ein erstes formgebendes Werkzeugteil und zumindest ein zweites formgebendes Werkzeugteil aufweist. Zwischen den beiden formgebenden Werkzeugteilen werden dann die Faserlagen eingebracht, um das Faserverbundbauteil zu bilden bzw. herzustellen. Des Weiteren weist das Formwerkzeug ein flexibles Werkzeugteil auf, das an mindestens einer Seite eine flexible Werkzeugoberfläche hat. Dieses flexible Werkzeugteil wird nun ebenfalls zwischen das erste formgebende und das zweite formgebende Werkzeugteil angeordnet, so dass die flexible Werkzeugoberfläche des flexiblen Werkzeugteils an mindestens einer Seite der Faserlagen anliegt.
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Durch das flexible Werkzeugteil mit seiner flexiblen Werkzeugoberfläche entsteht nun der vorteilhafte technische Effekt, dass Bereiche der Faserlagen, bei denen sich beispielsweise Faltungen gebildet haben, diese in die flexible Werkzeugoberfläche eingedrückt werden, so dass in diesen Teilbereichen beim Zusammenpressen der formgebenden Werkzeugteile eine gleichmäßige Druckverteilung entsteht. Diese bewirkt, dass auch in Bereichen der Faltungen oder durch gewollte Hervorhebungen ein gleichmäßiger Anpressdruck bewirkt wird.
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Das flexible Werkzeugteil ist ausgebildet, mit einem gasförmigen oder fluiden Medium beaufschlagt zu werden, um so den Druck auf die anliegenden Faserlagen aufzubringen. Durch den Beaufschlagungsdruck, mit dem das flexible Werkzeugteil mit dem Medium beaufschlagt wird, kann der Druck, der auf die Faserlagen aufgebracht werden soll, gesteuert werden.
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Vorteilhaft ist hierbei, dass nach Fertigstellung des Bauteils durch Evakuieren des flexiblen Werkzeugteils erreicht werden kann, dass dieses kollabiert und somit das Formwerkzeug wieder auseinander genommen werden kann, um so das fertige Faserverbundbauteil von dem Formwerkzeug zu trennen. Dadurch wird es möglich, beispielsweise Hinterschneidungen in einem Faserverbundbauteil in einfacher und kostengünstiger Art und Weise herzustellen.
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Um gezielt bestimmte Teilbereiche der Faserlagen mit einem bestimmten Druck beaufschlagen zu können, weist das flexible Werkzeugteil eine Mehrzahl von gas- oder fluiddichten Kammern auf, die voneinander getrennt mit einem gasförmigen oder fluiden Medium beaufschlagbar sind. Dadurch können Teilbereiche, die an bestimmten Kammern des flexiblen Werkzeugteils anliegen, gezielt mit einem Druck beaufschlagt werden, so dass auf die entsprechenden Teilbereiche ein gezielter Druck aufgebracht werden kann. Dadurch lassen sich gezielt die Bereiche der Faserlagen mit Druck beaufschlagen, die bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen problembehaftet sind.
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Hierzu ist eine Steuerung vorgesehen, mit deren Hilfe ein wellenförmiger Druckverlauf über die flexible Werkzeugoberfläche durch einen zeitlichen Druckverlauf über die Kammern erzeugt werden kann.
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Denn es hat sich herausgestellt, dass die Bereiche der Faserlagen, in denen aufgrund der komplexen Bauteilgeometrie Materialstauchungen bzw. Verschiebungen zur Faltenbildung führen, das Beaufschlagen eines Druckes derartige Faltenbildungen verhindert oder reduziert. Somit kann die Bauteilqualität erhöht werden; bei gleichzeitiger Vorbereitung für die Serienproduktion.
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Durch ein Mehrkammersystem mit einer geregelten Drucksteuerung können Materialstauchungen, die beim Einlegen des Fasermaterials in die formgebende Werkzeugform entstehen, derart ausgeglichen und geglättet werden, indem durch eine gezielte Druckbewegung des flexiblen Werkzeugteils das gestauchte Fasermaterial in eine Vorzugsrichtung gestreckt wird.
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Zu einem derartigen Formwerkzeug lassen sich darüber hinaus beispielsweise auch Faserverbundbauteile herstellen, die Hinterschneidungen aufweisen, da aufgrund des innen liegenden flexiblen Werkzeugteils das Zusammenführen und Auseinanderbringen der einzelnen Werkzeugteile erleichtert wird.
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Ein Faserverbundbauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein fertig ausgehärtetes Bauteil sein, bei dem Faserlagen mit einem Matrixharz infiltriert und polymerisiert wurden. Im Sinn der vorliegenden Erfindung kann ein Faserverbundbauteil aber auch eine Preform oder Sub-Preform sein, die dann später zu einem komplexen Bauteil zusammengesetzt werden sollen. Die Preformen oder Sub-Preformen können dann später beispielsweise mit einem Matrixharz vorgetränkt werden, um sogenannte Prepregs herzustellen.
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Vorteilhafterweise entspricht die Ausdehnung der flexiblen Werkzeugoberfläche des flexiblen Werkzeugteils einer formgebenden Werkzeugseite des ersten und/oder zweiten Werkzeugteils des Formwerkzeuges, so dass die gesamte formgebende Werkzeugoberfläche durch das flexible Werkzeugteil und seine flexible Werkzeugoberfläche abgedeckt werden kann.
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Dabei ist das flexible Werkzeugteil ausgebildet, einen Druck auf die anliegenden Faserlagen in zumindest einem Teilbereich der Faserlagen aufzubringen, wenn die Faserlagen und das flexible Werkzeugteil in die Werkzeugform eingebracht sind. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass in Bereichen, in denen aufgrund der komplexen Bauteilgeometrien Materialstauchungen und Materialverschiebungen entstehen können, die dann zu einer Faltung der Faserlagen führen können, diese gleich bei dem Einbringen der Faserlagen in das Formwerkzeug verhindert werden. Darüber hinaus kann beispielsweise in Randbereichen der formgebenden Werkzeugteile durch Beaufschlagung mit einem hohen Druck erreicht werden, dass beispielsweise Voreileffekte des Matrixsystems durch eine unterschiedliche Faserdichte im Randbereich verhindert oder vermieden werden.
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Dabei ist das flexible Werkzeugteil derart eingerichtet, dass in unterschiedlichen Teilbereichen der Faserlagen ein Druck aufgebracht werden kann, der sich von Teilbereich zu Teilbereich auch unterscheiden kann. Somit lassen sich gezielt die Bereiche der Faserlagen mit einem Druck beaufschlagen, in denen beispielsweise Fehlstellen durch Ondulationen entstehen können.
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Vorteilhafterweise ist das flexible Werkzeugteil ausgebildet, temperiert zu werden, so dass sich die Faserlagen temperaturtechnisch erhöhen oder abkühlen lassen. Hierzu ist das flexible Werkzeugteil beispielsweise ausgebildet, das Medium, mit dem es befüllt wird, zu erwärmen oder abzukühlen bzw. erwärmtes oder abgekühltes Medium aufzunehmen. Dadurch lassen sich beispielsweise Sub-Preformen herstellen, die über thermisch aktivierbare Bindersystem ihre verformte Geometrie beibehalten.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 – schematische Darstellung eines vereinfachten Formwerkzeuges;
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2 – vereinfachte schematische Darstellung des flexiblen Werk zeugteils mit mehreren Kammern;
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3 – schematische Darstellung einer perspektivisch dargestellten Ausführungsform.
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1 zeigt schematisch vereinfacht das Formwerkzeug 10 mit einem ersten formgebenden Werkzeugteil 1 und einem zweiten formgebenden Werkzeugteil 2. Zwischen dem ersten Werkzeugteil 1 und dem zweiten Werkzeugteil 2 sind sowohl das flexible Werkzeugteil 3 als auch die Faserlagen 4 zu Bildung eines Faserverbundbauteils angeordnet. Das flexible Werkzeugteil 3 weist eine flexible Oberfläche 5 auf, die mit einer Seite der Faserlagen 4 in Berührung steht und an dieser in diesem Ausführungsbeispiel vollständig anliegt. Mit der gegenüberliegenden Seite der Faserlagen 4 liegen die Faserlagen an dem ersten Werkzeugteil 1 an.
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Das flexible Werkzeugteil 3 weist eine Mehrzahl von gas- oder fluiddichten Kammern 6 auf, die getrennt voneinander mit einem gasförmigen oder fluiden Medium beaufschlagt werden können. Aufgrund der flexiblen Oberfläche 5 des flexiblen Werkzeugteils 3 wird ein Druck auf die anliegenden Faserlagen 4 zumindest in dem Teilbereich der Kammern 6 aufgebracht. Wie in 1 gezeigt, kann dies, je nach Dichte der Faserlage 4, dazu führen, dass sich die flexible Werkzeugoberfläche 5 des flexiblen Werkzeugteils 3 in Richtung Faserlagen 4 wölbt. In der 1 ist dies in den Bereichen 7a und 7b der Kammern 6 beispielhaft gezeigt.
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Wird das Formwerkzeug 10 als Injektionswerkzeug genutzt, so kann durch die flexible Anpressung des flexiblen Werkzeugteils 3 an die Faserlagen in den Randbereichen ein Voreilen des Harzes unterdrückt werden, da durch den Anpressdruck die Dichte der Faserlagen 4 beeinflussbar wird. Selbstverständlich können die Kammern 6 auch mit einem Unterdruck (negativen Druck) beaufschlagt werden, so dass sich Faserwellen in die Randbereiche schieben lassen.
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2 zeigt schematisch stark vereinfacht ein flexibles Werkzeugteil mit einer oben liegenden flexiblen Werkzeugoberfläche 5 und mehreren gas- oder fluiddichten Kammern 6 in einer perspektivischen Darstellung. Durch das Beaufschlagen der einzelnen Kammern 6 mit einem gasförmigen oder fluidförmigen Medium lässt sich in den Kammern 6 ein Druck aufbauen, der aufgrund der flexiblen Oberfläche 5 des flexiblen Werkzeugteils 3 als Druckkraft auf die an der flexiblen Oberfläche 5 anliegenden Faserlagen (nicht dargestellt) übertragen wird. Dadurch wird es möglich, in bestimmten Bereichen der Faserlagen gezielt Druck auf die Faserlagen aufzubringen. Das flexible Werkzeugteil 3 kann dabei im Übrigen auch fester Bestandteil der formgebenden Werkzeugteile sein.
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3 zeigt eine Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung. Hergestellt werden soll ein U-förmiges Faserverbundbauteil, das beispielsweise als Preform oder Sub-Preform für ein komplexes Bauteil dienen soll. Das Formwerkzeug 10 weist hierfür erfindungsgemäß ein erstes formgebendes Werkzeugteil 1 und zweites formgebendes Werkzeugteil 2 auf. Das erste formgebende Werkzeugteil 1 ist dabei ein innen liegendes Werkzeugteil, um das herum sich das zweite formgebende Werkzeugteil als ein Außenwerkzeug erstreckt. Zwischen dem ersten formgebenden Werkzeugteil 1 und dem zweiten formgebenden Werkzeugteil 2 wird das flexible Werkzeugteil 3 angeordnet, dessen flexible Oberfläche 5 an der einen Seite der Faserlagen 4 anliegt. Wie zu erkennen ist, weist auch hier das flexible Werkzeugteil 3 eine Mehrzahl von Druckkammern auf.
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Durch das gezielte Beaufschlagen der einzelnen Kammern 6 des flexiblen Werkzeugteils 3 kann gezielt ein Druck auf die Faserlagen 4 ausgeübt werden, so dass Faltungen, die durch Materialverschiebungen oder Stauchungen entstehen können, vermieden werden. So kann beispielsweise durch eine Steuerung ein zeitlicher Druckverlauf über die Kammern realisiert werden, der sich wellenförmig über den Faserlagen 4 ausbreitet und so möglicherweise Lufteinschlüsse oder Materialverschiebungen in den Randbereich verschiebt, wo sie sich ggf. auflösen. Hierfür ist das Formwerkzeug mit einer Steuerung versehen, die eingerichtet ist, das flexible Werkzeugteil zum Erzeugen eines wellenförmigen Druckverlaufes über die flexible Werkzeugoberfläche anzusteuern.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das flexible Werkzeugteil so ausgebildet, dass Unebenheiten in der Kontur der Faserlagen nachgegeben wird, so dass sich keine unterschiedlichen Dichteverhältnisse innerhalb der Faserlagen bilden, die womöglich entsprechende Voreileffekte begünstigen.