DE202005005475U1

DE202005005475U1 - Werkstück und Vorrichtung zur Schaffung

Info

Publication number: DE202005005475U1
Application number: DE200520005475
Authority: DE
Original assignee: Dohmeyer Jan Dipl-Ing
Current assignee: Dohmeyer Jan Dipl-Ing
Priority date: 2005-04-06
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2015-04-07

Abstract

Werkstück aus einem dreidimensional unter Druck profilierten Kunststoffsandwich und/oder Kunststofflaminaten, gekennzeichnet durch einen Sandwichaufbau aus einem Stapel unreagierter Flies-/Kunststoff, Kern- und Folien-Lagen mit zwei Deckfolien, die den Stapel zur Atmosphäre abdichten, mit unter den Deckfolien liegenden Evakuierungsschichten zur Weiterleitung eines gleichmäßigen Unterdrucks im Innenraum der beim Pressen des Sandwichaufbaus auf eine Form bis zur Erhärtung des Werkstücks.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkstück und Vorrichtung zur Schaffung dieses mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Haupanspruches und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Formung von Verbundwerkstoffen (Sandwiches oder Composites) ist das Sandwichtiefziehverfahren konzipiert. Es ermöglicht die Formung in einem Schritt.
Die Verarbeitung von Verbundwerkstoffen auf Basis von Reaktionsharzen als Matrix und einem Strukturwerkstoff ist seit den 50er Jahres des 20. Jahrhunderts bekannt. Es wird ein Strukturwerkstoff mit einem Reaktionsharz gefüllt und gehärtet. Der dabei entstehende Verbundwerkstoff verbindet dabei die Materialeigenschaften beider Werkstoffe. Als Struktur aufweisen, meistens in Faserform. Es werden im Folgenden nur Faserwerkstoffe betrachtet. Die Matrix übernimmt in diesem Verbundwerkstoff die Funktion der Verbindung der Fasern in bringt ihre mechanischen Eigenschaften in den Verbundwerkstoff mit ein. Oft erfüllt die Matrix die Funktion, die Zähigkeit des Verbundwerkstoffs zu erhöhen.
Zur Herstellung von Bauteilen aus Verbundwerkstoffen wird der Werkstoff in Lagen in eine Form aufgetragen. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten. Die einfachste ist, die Lagen per Hand aufzutragen und mit einer Rollen aneinanderzudrücken und Lufteinschlüsse zu entfernen.
Des weiteren kann der Aufbau mit einem Folien-/ Vließaufbau vakuumdicht verschlossen werden. Bei Anlegen eines Vakuums werden die Bedingungen des Zusammenpressens und des Evakuieren erfüllt.
Industrielle Anwendung finden aber eher Verfahren mit Formen bestehend aus Matrize und Patritze, bei denen in einer Presse der nötige Anpressdruck erzeugt wird. Gerade für großvolumige Bauteile stellt die Autoklaventechnik ein gängiges Verfahren dar, bei dem der Aufbau in einem Druckkessel zusätzlich zum Vakuum mit einem äußeren Druck beaufschlagt wird.
All diese Verfahren erfüllen jedoch nicht alle Anwendungsmöglichkeiten, die mit Faserverbunden gelöst werden können. So stellt man bei einer monetären Betrachtung fest, das alle Handlaminierverfahren zwar geringe Investitionen bedürfen, aber hohen Personalaufwand erfordern. Außerdem müssen viele und teure Einwegmaterialien verwendet werden, um ein flächiges Anliegen des Vakuums und eine Trennung des Harzes von dem Vakuumaufbau zu gewährleisten.
Maschinelle Verfahren erfordern sehr hohe Investitionen und sind unflexibel. Für spezielle Anwendungsfälle ist es immer wieder erforderlich, kleine Stückzahlen eines Bauteils herzustellen, mit einer reproduzierbaren Qualität und geringen Investitionskosten. Wenn dieses Bauteil noch durch ein einlaminiertes Kernmaterial versteift werden soll, und konturiert ist, kann keines der genannten Fertigungsverfahren angewandt werden.
Die Aufgabe besteht darin, für diesen Anwendungszweck ein Verfahren zu schaffen. Doe erfindungsgemäße Lösung besteht in dem in Anspruch 1 genannten Verfahren. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
Das erfindungsgemäße Sandwichtiefziehverfahren erfüllt den Qualitätsanspruch, da das Laminat – einer Tiefziehfolie gleich – per Vakuum über eine Form gezogen wird. Es ist kostengünstig, da sich der maschinelle Aufwand „in Grenzen hält".
Es kommt weiter mit sehr wenig Einwegmaterial aus und als Form ist nur eine Formhälfte erforderlich. Bei dem Sandwichtiefziehverfahren wird der Laminataufbau auf der Sicht- und der Nichtsichtseite mit einer thermoplastischen Folie ergänzt. Haftungsprobleme sind in diesem Fall nicht zu eliminieren, sie sind gewollt. Um das Laminat formen zu können, wird es zwischen zwei elastische Folien gelegt, evakuiert und wie eine Folie tiefgezogen. Alternativ kann das Laminat auch mittels Druckkammer an die Form gepresst werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgendenden näher beschrieben. Dabei zeigen:
1 den schematischen Aufbau der Lagen eines erfindungsgemäßen Sandwiches,
2 das kompaktierte Sandwich,
3 eine zur Herstellung genutzte konturierete Form (beispielhaft),
4 die Fertigungsanlage (Seitenansicht, schematisch),
5 die Fertigungsanlage vor der Formung (Vorderansicht, schematisch),
6 die Fertigungsanlage nach der Formung (Vorderansicht, schematisch), und
7 das fertige Bauteil (beispielhaft).
Das Sandwich (1) besteht aus dem Kern 5, den Decklaminaten 4 und der Deckfolie 3. Als Kern 5 dient ein thermoplastischer Airex Hartschaum, es wurden aber auch Versuche mit anderen Schäumen und Wabenkernen aus phenolharzverstärktem Aramidfaserpapier durchgeführt. Es können je nach gewünschtem Verformungsgrad alle im Verbundwerkstoffbau eingesetzten Kerne verwendet werden. Als Decklaminat 4 dient ein Glasfaser/Epoxidharz – Laminat mit einer Körperbindung. Die Verwendung anderer Fasern, z.B. Aramid- oder Kohlefaser, anderer Harze, z.B. Polyester- oder Phenolharze oder anderen Gewebe-, Gelege- oder Tapearten ist machbar und teilweise auch erprobt.
Das Sandwich wird von einem bevorzugt sehr offenporigen Vlies 2 umschlossen oder wenigstens an den Stellen mit Vlies belegt, an denen es fertigungstechnisch zu Problemen beim Vakuumaufbau kommen kann. Auf die Verbindung der Vlieseinlagen ist zu achten. Der komplette Aufbau wird nun an Ober- und Unterseite mit einer dauerelastischen Folie 1 gegen die Umgebung abgeschlossen. Ratsam ist die Verwendung einer Silikonfolie, da Rückstellkräfte, Adhäsionsverhalten und Wärmebeständigkeit für eine solche Folie unerreicht sind.
Andere dauerelastische Folien können verwendet werden, wenn z.B. die Dehnung des Silikons nicht ausreichend ist. Die Stärke der Folie beträgt im vorliegenden Fall 1 mm. Geringere Folienstärken haben den Vorteil der geringeren Rückstellkraft, die Haltbarkeit leidet. Bei stärkeren Folien verhalt es sich umgekehrt.
Der komplette Lagenaufbau ist in 1 schematisch dargestellt.
Die Form 6 (3) muß folgende Aufgaben erfüllen. Sie muß dem Arbeitsdruck standhalten, der Verarbeitungstemperatur des Sandwiches und sie muß, da sie sich im evakuierten Raum befindet, entweder porös oder mit Vakuumbohrungen 7 versehen sein.
Zum Formen und Härten des Sandwiches ist eine Fertigungsanlage (4, 5 und 6) erforderlich, die einerseits einer Folientiefziehanlage entsprechend das Sandwich an die Form anpresst oder ansaugt, andererseits als Härtungsofen fungiert und das Sandwich nach dem Formen unter Temperatureinfluß und Aufrechterhaltung des Vakuum aushärten läßt. Die Fertigungsanlage (4) besteht aus einer Heizkammer 8 und einer Formkammer 9. Beide werden über Heizfelder 10 beheizt. Beide Kammern sind voneinander thermisch getrennt und die Temperaturen getrennt regelbar.
Der Spannrahmen 11, der das Sandwich aufnimmt und es Vakuumdicht verspannt, ist auf Rollschienen zwischen beiden Kammern 8, 9 zu bewegen. Das Werkzeug 6 wird auf dem Werkzeugtisch 13 befestigt. Dieser ist mit einer Vakuumbohrung 18 zum Werkzeug hin versehen und mit dem Vakuumaggregat 17 verbunden. Umrahmt ist der Werkzeugtisch mit einer Dichtlippe 15. Diese soll den Werkzeugtisch zum Spannrahmen abdichten.
Die Ausführung der Dichtlippe ist variabel. Ratsam ist eine aufblasbare Silikonschlauchdichtung um ein annäherndes Vakuum zu erreichen. Der Werkzeugtisch ist vertikal beweglich 19 und taucht mit dem Werkzeug in den Spannrahmen ein. Er dichtet den Vakuumraum ab, indem er gegen den Spannrahmen gefahren wird.
Durch Anlegen des Vakuums 17 wird das Sandwich an die Form gesogen. In dieser Position wird es gehärtet und anschließend entformt. Alternativ oder zum besseren formen bei schwierigen Konturen kann das Sandwich auch vorgeblasen werden, d.h. das es entweder von unten durch Luftdruck, oder von oben durch Unterdruck vorgedehnt wird. In diesem Falle kann druch Druckumkehr auch geformt werden.
Damit das Sandwich sich wie eine Folie verhält, wird es vor dem Prozeß evakuiert. Dies ist über den Vakuumanschluß 12 möglich. Entscheidend für den gesamten Prozeß ist die richtige Wahl des Druckes in dem Sandwich. Bei Umgebungsdruck (1 bar) ist keine Haftung des Sandwiches erreicht, dafür gleiten die einzelnen Lagen sehr gut aufeinander. Bei Vakuum (0 bar) ist kein Gleiten mehr möglich, da das Problem dieses Lagenaufbaus ist, daß sich nicht alle Materialien gleich verhalten.
Einige Formen sich sehr gut (das Laminat), andere kaum (der Kern, abhängig von der Dicke). Im Resultat kann es zur Faltenbildung an der Oberfläche kommen. Die richtige Einstellung muß erprobt werden. In Versuchen haben sich Absolutdrücke zwischen 0,2 und 0,9 bar als anwendbar ergeben, je nach Form und Laminataufbau.
Als weiter wesentlich für den Prozeß ist die richtige Wahl der Temperaturen und der Zeiten. Die Heizkammer 8 dient dem Vorwärmen des Sandwiches. In ihr wird das Sandwich auf eine Temperatur erwärmt, bei der sich die Deckfolien 3 und der Kern 5 formen lassen, das Reaktionsharzlaminat 4 aber noch nicht zu reagieren beginnt. Für das richtige Temperatur – Zeit Verhältnis ist die Wahl der Werkstoffe entscheidend.
Bei den bevorzugt verwendeten Materialien (ABS Folie, Epoxidharz (kalthärtend) und Airex Schaum) bewegt sich die Bandbreite der Temperaturen zum Vorheizen zwischen 130 und 180 °C für 50 bis 120 sec. Eine längere Verweildauer führt zur besseren Durchwärmung des Sandwiches, führt aber auch eher zu einem Kolabieren des Schaumkernes. Der Formofen ist weniger stark erhitzt. Hier soll die Temperatur die Reaktion des Harzes beschleunigen.
Die Wahl der richtigen Temperatur ist auch hier abhängig von dem verwendeten Harz. Bei dem verwendeten kalthärtenden Epoxidharz ist eine Temperatur über 90 °C nicht empfehlenswert um Blasenbildung zu vermeiden. Je geringer die Temperatur ist, desto länger ist der Härtungsprozeß. Bei eingestellten 70 °C ist das Reaktionsharz nach 90 min weitestgehend ausgehärtet und das Bauteil (7) kann entformt werden.

Claims

Werkstück aus einem dreidimensional unter Druck profilierten Kunststoffsandwich und/oder Kunststofflaminaten, gekennzeichnet durch einen Sandwichaufbau aus einem Stapel unreagierter Flies-/Kunststoff, Kern- und Folien-Lagen mit zwei Deckfolien, die den Stapel zur Atmosphäre abdichten, mit unter den Deckfolien liegenden Evakuierungsschichten zur Weiterleitung eines gleichmäßigen Unterdrucks im Innenraum der beim Pressen des Sandwichaufbaus auf eine Form bis zur Erhärtung des Werkstücks.
Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sandwichaufbau mit einem geschlossenporigen Kernmaterial (5) vor dem Ausbringen auf die Form versteift wird.
Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckfolie eine thermoplastischen Folie vorgesehen ist.
Werkstück nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zur Evakuierung des Stapels aus Lagen zwischengelegtes offenporiges Vlies oder Gewebe, das eine für die Formung zur vorgesehenen Form notwendige Dehnung besitzt.
Werkstück nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagenaufbau bei einer derart erhöhten Temperatur geformt ist, daß die thermoplastischen Teile thermoplastisch geformt sind, ohne das Reaktionsharz über den Gelpunkt zu gebracht zu haben.
Vorrichtung zur Schaffung des Werkstücks mit einer Einrichtung zur Formgebung durch Überdruck von außen auf die Dichtfolie des Lagenaufbaus druckausübend gegen eine Form.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Mittel zum Luftdruckausgleich an der Form.