DE102005056420A1 - Verfahren zur Herstellung eines Stützkerns für die Herstellung eines faserverstärkten Strukturhohlbauteiles und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Stützkerns für die Herstellung eines faserverstärkten Strukturhohlbauteiles und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Zur Herstellung eines Stützkerns (16), der zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff verwendet wird, wird in ein Formwerkzeug (1) mit einer der Form des Stützkerns (16) entsprechenden Forminnenwand (5) ein Beutel (4) aus einer luftdichten Folie eingebracht. Der Beutel (4) wird durch Vakuum und/oder Druckluft zur Forminnenwand (5) gezogen bzw. gedrückt. Anschließend werden Feststoffteilchen (12) in den Beutel (4) gefüllt, die einer Vibrationsverdichtung unterworfen werden. Nach dem Evakuieren des Beutels (4) wird das obere Ende des Beutels (4) so verschlossen, dass eine Bildung lockerer Feststoffteilchen (12) verhindert ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Stützkerns für die Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Gegenstand.
  • Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffhohlbauteile wird unter anderem das sogenannte Resin-Transfer-Molding(RTM)-Verfahren und das Vakuum-Injektionsverfahren verwendet. Dazu wird ein umwickelter, umflochtener oder in anderer Weise mit Verstärkungsfasern versehener Stützkern zwischen einem beheizten Ober- und Unterwerkzeug einer Presse gelegt, worauf die Fasern mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz, getränkt werden, welcher unter Druck in den Hohlraum mit der Faserlage zwischen Ober- und Unterwerkzeug injiziert wird. Ähnlich wird beim Vakuum-Injektionsverfahren vorgegangen, bei dem anstelle von Druck ein Vakuum angelegt wird, um den wärmehärtbaren Kunststoff in den Hohlraum mit der Faserlage zwischen dem Ober- und Unterwerkzeug zu saugen. Durch die hohe Temperatur der Presse wird der Kunststoff ausgehärtet und nach dem Entformen der Stützkern aus dem Strukturhohlbauteil entfernt.
  • Sowohl beim RTM-Verfahren wie beim Vakuum-Injektionsverfahren kann der Stützkern einem hohen Druck von 20 bar und mehr ausgesetzt werden. Dabei darf der Stützkern seine Maße auch nicht im Geringsten ändern. Ferner wird zum Umwickeln des Stützkerns beispielsweise eine Flechtanlage verwendet, wobei sich der Stützkern im Auge der Flechtanlage befindet, während die Verstärkungsfasern unter hoher Spannung von der Peripherie abgezogen werden. Der Stützkern muss daher auch hier eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, um den hohen Fadenabzugskräften standzuhalten.
  • Zwar sind bereits Stützkerne aus niedrigschmelzenden Wismut-Legierungen bekannt, die eine hohe Druckfestigkeit besitzen. Wegen des hohen Energieaufwandes zum Schmelzen und damit Entfernen der Kerne aus dem Strukturhohlbauteil, dem hohen Gewicht und der daraus resultierenden schwierigen Handhabbarkeit, aber auch wegen der Gesundheitsgefährdung durch Wismutdämpfe, sind diese Kerne in der Praxis jedoch nicht einsetzbar.
  • Ferner werden Stützkerne aus hochdichtem Schaumstoff eingesetzt, die im Bauteil verbleiben. Damit können zwar Strukturhohlbauteile, wie Stützsäulen, Schweller, Stoßfänger und dergleichen, hoher Maßhaltigkeit hergestellt werden, wie sie im Automobilbau zwingend erforderlich ist, jedoch führt der im Bauteil verbleibende Schaumstoff zu einer entsprechenden Gewichtserhöhung.
  • Aus GB 2 284 173 A ist bereits ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dabei wird der Beutel zumindest teilweise mit Feststoffteilchen gefüllt, anschließend evakuiert und dann sein oberes Ende verschweißt. Der bekannte Stützkern weist jedoch weder die erforderliche Formstabilität zur Herstellung von Strukturhohlbauteilen hoher Maßhaltigkeit mit dem RTM- oder Vakuum-Injektionsverfahren auf, noch kann er mit hoher Fadenspannung umwickelt werden, ohne seine Form zu ändern.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stützkern mit der erforderlichen Formstabilität für das RTM- oder Vakuum-Injektionsverfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff hoher Maßhaltigkeit bereitzustellen.
  • Dies wird mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 14 sind bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben. Der Anspruch 15 hat eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gegenstand, welche durch die Ansprüche 16 und 17 in vorteilhafter Weise ausgebildet wird.
  • Nach der Erfindung wird der teilchenförmige Feststoff in dem Beutel einer Vibrationsverdichtung unterworfen, die vor oder gegebenenfalls während der Evakuierung des Beutels erfolgt. Anschließend wird der evakuierte Beutel so verschlossen, dass die Bildung lockerer Feststoffteilchen am verschlossenen Beutelende verhindert ist. D.h., im Gegensatz zu GB 2 284 173 A ist der Beutel vollständig mit Feststoffteilchen gefüllt, so dass keine Falte am Beutelende gebildet wird. Vielmehr ist der Stützkern am Beutelende flach, gegebenenfalls gewölbt oder allenfalls im Querschnitt stumpfwinklig ausgebildet, so dass im Gegensatz zur GB-Schrift ein Druck am Beutelende zur Seite nicht zur Bildung lockerer Feststoffteilchen führt. Die hohe Festigkeit des Stützkerns ist auf einen hohen Reibschluss zwischen den Feststoffteilchen zurückzuführen. Denn durch die Vibrationsverdichtung wird eine hohe Packungsdichte und damit eine große Gesamtfläche gebildet, an der die Feststoffteilchen aneinander liegen. Zum anderen drückt der evakuierte Beutel einschließlich seines verschlossenen oberen Endes die Feststoffteilchen zur Mitte des Stützkerns hin, so dass die Feststoffteilchen in allen Bereichen fest gegeneinander gepresst werden.
  • Zur Herstellung des Stützkerns wird ein Formwerkzeug verwendet, das einen Formhohlraum aufweist, der der Form des herzustellenden Stützkerns entspricht. Zwischen der Forminnenwand und dem Beutel im Formhohlraum wird ein Vakuum angelegt, um den Beutel zu der Forminnenwand zu ziehen. Das Formwerkzeug kann dazu wenigstens eine Öffnung an der Forminnenwand aufweisen, an die das Vakuum angelegt wird. Damit sich das Vakuum von der wenigstens einen Öffnung vollflächig über die Außenseite des Beutels ausbreiten kann, wird vorzugsweise ein Gewebe, insbesondere ein Gittergewebe oder dergleichen luftdurchlässiges, flächiges Material, zwischen der Forminnenwand und dem Beutel angeordnet.
  • Die Vibrationsverdichtung kann durch Vibrationen im Wesentlichen in senkrechter Richtung oder im Wesentlichen in waagerechter Richtung erfolgen. Zur Herstellung länglicher Stützkerne wird der Beutel vorzugsweise senkrecht angeordnet und der Feststoff in dem Beutel senkrechten Vibrationen ausgesetzt. Zur Herstellung eines Stützkerns, der in seitliche Richtung sich erstreckende Abschnitte besitzt, werden vorzugsweise waagerechte Vibrationen angewendet. Es können jedoch auch Vibrationen sowohl in senkrechter wie in waagerechter Richtung durchgeführt werden.
  • Die Vibrationsfrequenz kann beispielsweise zwischen 10 und 200, insbesondere 30 Hz bis 100 Hz, also Vibrationen pro Sekunde betragen.
  • Die Vibrationsverdichtung, also die Volumenreduktion zwischen Schüttvolumen und Endvolumen des Stützkerns, beträgt vorzugsweise mindestens 5 %, insbesondere mindestens 10 %. Die Dauer der Vibration hängt von der Teilchengrößenverteilung ab. Da sich kleinere Teilchen gegenüber größeren Teilchen bei der Vibrationsverdichtung bevorzugt nach unten bewegen, sich also größere und kleinere Teilchen entmischen können, wodurch eine inhomogene Druckfestigkeit des Stützkerns entstehen kann, ist die Vibrationsdauer bei einer großen Teilchengrößenverteilung im Allgemeinen kürzer als bei einer geringen Teilchengrößenverteilung. Im Allgemeinen beträgt die Vibrationsdauer jedoch mindestens 10 Sekunden, normalerweise nicht mehr als 60 Sekunden.
  • Um den Beutel vor dem Einfüllen der Feststoffteilchen zur Anlage an die Forminnenwand zu bringen, kann neben dem Vakuum zwischen Forminnenwand und Beutel der Beutel zusätzlich mit einem Druckgas, z.B. Druckluft, beaufschlagt werden. Gegebenenfalls kann die Anlage des Beutels an die Forminnenwand auch nur durch Druckgasbeaufschlagung erfolgen.
  • Die Feststoffteilchen können Sand, beispielsweise Quarzsand oder Zirkonsand, sein oder aus Keramikteilchen, z.B. Cerabead, bestehen. Auch Hohlglaskugeln oder Blähglasgranulat ist verwendbar. Wesentlich ist, dass der teilchenförmige Feststoff druckstabil ist.
  • Die mittlere Teilchengröße des Feststoffs kann in weiten Grenzen schwanken. So kann die mittlere Teilchengröße beispielsweise zwischen 100 μm und 1.000 μm liegen.
  • Der Beutel wird vorzugsweise durch Verschweißen geschlossen. Dazu kann der Beutel aus einer verschweißbaren Kunststofffolie bestehen. Auch kann eine Verbundfolie verwendet werden, die verschweißbar ist, beispielsweise eine Aluminiumfolie mit einer verschweißbaren Innenschicht aus Kunststoff.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Stützkern wird eine hohe Maßhaltigkeit der damit hergestellten Strukturhohlbauteile, insbesondere nach dem RTM- oder Vakuum-Injektionsverfahren erreicht, und zwar auch bei komplexen Bauteilen. Dies ist auf die hohe Druckfestigkeit des erfindungsgemäßen Stützkerns zurückzuführen. So ist der Stützkern beim RTM-Verfahren normalerweise einem Druck von mehr als 20 bar, insbesondere mehr als 50 bar ausgesetzt. Schon die geringste Kompression des Stützkerns beim RTM- oder Vakuum-Injektionsverfahren führt jedoch zu einem Strukturhohlbauteil von nicht mehr genau definierter Wandstärke und damit Ausschuss. Der erfindungsgemäße Stützkern zeichnet sich jedoch durch eine Druckfestigkeit von mehr als 20 bar, insbesondere mehr als 50 bar und mehr aus. Er ist daher in der Lage, hohen Injektionsdrücken beim RTM- oder Vakuum-Injektionsverfahren ohne weiteres standzuhalten.
  • Zudem kann zum Umwickeln des erfindungsgemäßen Stützkerns mit Verstärkungsfasern eine Flechtanlage verwendet werden, in deren Auge sich der Stützkern befindet, während die Verstärkungsfäden unter hoher Spannung von der Peripherie abgezogen werden. Dank seiner hohen Festigkeit hält der erfindungsgemäße Stützkern auch diesen hohen Abzugskräften ohne weiteres stand.
  • Beim Aushärten des Kunststoffs in dem beheizten Werkzeug beim RTM- bzw. Vakuum-Injektionsverfahren kann eine geringe Schwindung des Kunststoffs auftreten, die zu einer Beeinträchtigung der Maßhaltigkeit des Strukturhohlbauteils führen kann. Um diese Schwindung zu kompensieren, kann erfindungsgemäß in den Beutel ein Blähmittel eingebracht werden, das bei der für das RTM- oder Vakuum-Injektionsverfahren verwendeten Temperatur ein Gas bildet und damit den Beutel gegen das Ober- und Unterwerkzeug drückt. Das Blähmittel kann beispielsweise Wasser sein, das den Feststoffteilchen zugesetzt wird.
  • Um zu verhindern, dass beim Verschweißen des Beutelendes Feststoffteilchen die Dichtigkeit der Schweißnaht beeinträchtigen, wird vorzugsweise auf den in den Beutel gefüllten teilchenförmigen Feststoff nach der Vibrationsverdichtung ein Endstück gelegt und das obere Ende des Beutels so verschlossen, dass das verschlossene obere Ende des Beutels auf das Endstück drückt. Damit der Beutel evakuiert werden kann, ist das Endstück luftdurchlässig ausgebildet. Zugleich ist es, um eine Beeinträchtigung der Schweißnaht durch Feststoffteilchen zu verhindern, für den Feststoff undurchlässig. Auf das Endstück kann vor dem Evakuieren des Beutels ein Druck ausgeübt werden, um den teilchenförmigen Feststoff zusätzlich zu komprimieren.
  • Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, vor dem Evakuieren des gefüllten Beutels zusätzlich zur Vibrationsverdichtung die Feststoffteilchen im Bereich des oberen offenen Endes des Beutels z.B. mit einem Stempel zu verpressen. Das Verpressen kann während oder nach der Vibrationsverdichtung durchgeführt werden. Durch das zusätzliche Verpressen an dem oberen offenen Ende wird die Verdichtung in diesem Bereich zusätzlich erhöht und zudem eine exakte Kontur der Füllung, also des teilchenförmigen Feststoffs in diesem Bereich dargestellt.
  • Im Bereich am oberen offenen Ende werden die Feststoffteilchen durch senkrechte Vibrationen nämlich am wenigsten verdichtet. Durch Verpressen mit dem Stempel wird diese Schwachstelle beseitigt.
  • Nach der Erfindung können insbesondere Strukturhohlbauteile für den Automobilbau, wie Stoßfänger, Schweller oder Stützsäulen hergestellt werden.
    •
  • Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch im Querschnitt:
  • 1 und 2 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Stützkerns nach dem Füllen des Beutels bzw. nach der Vibrationsverdichtung; und
  • 3 einen mit der Vorrichtung hergestellten Stützkern.
  • Gemäß 1 weist die Vorrichtung ein geteiltes Formwerkzeug 1 mit senkrechter Teilungsfuge 2 auf. In dem Forminnenhohlraum 3 ist ein schlauchförmiger Beutel 4 aus einer Kunststofffolie angeordnet. Zwischen der Forminnenwand 5 und dem Beutel 4 ist ein Gittergewebe oder dergleichen luftdurchlässiges, flächiges Material 6 eingebracht. Das Formwerkzeug 1 ist mit Bohrungen 7 versehen, um ein Vakuum zwischen der Forminnenwand 5 und dem Beutel 4 anlegen zu können.
  • Das Formwerkzeug 1 ist auf einer Rüttelplatte oder dergleichen Rütteleinrichtung 8 angeordnet. Unmittelbar über dem Formwerkzeug 1 befindet sich eine Schweißzange oder dergleichen Schweißeinrichtung 9.
  • Ein trichterförmiger Vorratsbehälter 11, der mit Feststoffteilchen 12 gefüllt ist, ist am oberen Ende eines Füllstutzens 13 vorgesehen, der in das obere offene Ende des schlauchförmigen Beutels 4 ragt.
  • Der Füllstutzen 13 ist mit einem Anschlussstück 14 versehen. Zwischen dem Anschlussstück 14 und dem Vorratsbehälter 11 weist der Füllstutzen 13 einen Schieber oder dergleichen Absperrorgan 15 auf.
  • Zur Herstellung des Stützkerns 16 gemäß 3 wird zunächst über die Bohrungen 7 ein Vakuum angelegt, um den Beutel 4 zur Forminnenwand 5 zu ziehen. Durch das Gittergewebe 6 kann sich das Vakuum auch außerhalb der Mündung der Bohrungen 7 in den Forminnenhohlraum 3 und damit am gesamten Beutel 4 ausbreiten. Zugleich kann der Beutel 4 innen über das Anschlussstück 14 bei geschlossenem Schieber 15 mit Druckluft beaufschlagt werden, um den Beutel 4 zusätzlich zur Forminnenwand 5 zu drücken.
  • Anschließend wird der Schieber 15 geöffnet, um, wie in 1 gezeigt, den Beutel 4 mit Feststoffteilchen 12 aus dem Vorratsbehälter 11 bis zur Höhe h1 zu füllen.
  • Der Füllstutzen 13 wird dann aus dem Beutel 4 gezogen und die Rütteleinrichtung 8 betätigt, um den teilchenförmigen Fest stoff 12 in dem Beutel 4 durch Vibration zu verdichten, bis er die Höhe h2 erreicht (2).
  • Auf den so verdichteten Feststoff 12 in dem Beutel 4 wird, wie in 2 dargestellt, ein plattenförmiges Endstück 17 gelegt, das luftdurchlässig, aber undurchlässig für den teilchenförmigen Feststoff 12 ausgebildet ist.
  • Anschließend wird der Füllstutzen 13 bei geschlossenem Schieber 15 wieder in das obere Ende des Beutels 4 eingeführt, worauf an das Anschlussstück 14 ein Vakuum angelegt wird, um den mit Füllstoff 12 gefüllten Beutel 4 zu evakuieren. Dann wird die Schweißzange 9 betätigt, um das obere Ende des Beutels 4 unmittelbar über dem Endstück 17 zu verschweißen. Die Form des Stützkerns 16 entspricht der Forminnenwand 5 des Formwerkzeugs 1.
  • Wie in 3 durch die Pfeile 18 dargestellt, ist damit sichergestellt, dass der Beutel 4 auf die Feststoffteilchen 12 auch im Bereich des geschlossenen, oberen Beutelendes 19 einen Druck zum Inneren des Stützkerns 16 ausübt.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Stützkerns (16) für die Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff, bei dem in einem Formwerkzeug (1) mit einer der Form des Stützkerns (16) entsprechenden Forminnenwand (5) ein Beutel (4) aus einer luftdichten Folie eingebracht wird, der durch ein Vakuum und/oder Druck zur Forminnenwand (5) gezogen bzw. gedrückt wird, und der Beutel (4) über sein oberes offenes Ende mit Feststoffteilchen (12) gefüllt und anschließend evakuiert wird, worauf das obere Ende des Beutels (4) luftdicht verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffteilchen (12) in dem Beutel (4) vor dem Verschließen des Beutels (4) einer Vibrationsverdichtung unterworfen werden und das obere Ende des Beutels (4) so verschlossen wird, dass eine Bildung lockerer Feststoffteilchen (12) verhindert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsverdichtung vor dem Evakuieren des Beutels (4) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsverdichtung durch Vibrationen mit senkrechter und/oder waagerechter Bewegungsrichtung erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Vibrationsverdichtung ein Verpressen der Feststoffteilchen (12) am oberen offenen Ende des Beutels (4) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsverdichtung so lange durchgeführt wird, bis das Schüttvolumen in dem Beutel (4) um wenigstens 5 % verringert worden ist.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsverdichtung bei geringer Teilchengrößenverteilung der Feststoffteilchen (12) länger durchgeführt wird als bei großer Teilchengrößenverteilung.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Beutel (4) und der Forminnenwand (5) ein luftdurchlässiges, flächiges Material (6) angeordnet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die in den Beutel (4) gefüllten Feststoffteilchen (12) ein Endstück (17) gegeben wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (17) luftdurchlässig und für die Feststoffteilchen (12) undurchlässig ausgebildet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als luftdichte Folie eine verschweißbare Folie verwendet und das obere Ende des Beutels (4) durch Verschweißen verschlossen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkern (16) mit Verstärkungsfasern versehen und die Herstellung des Strukturhohlbauteils mit dem mit Verstärkungsfasern versehenen Stützkern (16) nach dem Resin-Transfer-Molding-(RTM)- oder Vakuum-Injektionsverfahren durchgeführt wird, bei dem die Verstärkungsfasern des Stützkerns (16) mit einem aushärtbaren Kunststoff getränkt, der Kunststoff ausgehärtet und die Feststoffteilchen (12) nach dem Entformen aus dem Stützkern (16) entfernt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern auf den Stützkern (16) gewickelt werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkern (16) beim RTM- oder Vakuum-Injektionsverfahren einem Druck von mindestens 5 bar ausgesetzt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff bei erhöhter Temperatur ausgehärtet und in den Beutel (4) ein Blähmittel eingebracht wird, das bei der erhöhten Temperatur zum Aushärten des Kunststoffs ein Gas bildet und somit einen Innendruck im Bauteil erzeugt.
  15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rütteleinrichtung (8), auf der das Formwerkzeug (1) zur Vibrationsverdichtung der Feststoffteilchen (12) angeordnet wird.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Schweißeinrichtung (9), mit der der Beutel (4) am oberen Ende unmittelbar über dem Formhohlraum (3) des Formwerkzeugs (1) verschweißt wird.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch einen Vorratsbehälter (11) für die Feststoffteilchen (12), von dem sich ein Füllstutzen (13) nach unten erstreckt, der mit seinem unteren Ende in das obere Ende des Beutels (4) einführbar ist, wobei der Füllstutzen (13) einen Anschluss (14) für ein Vakuum und/oder Druckgas und ein Absperrorgan (15) zwischen dem Anschluss (14) und dem Vorratsbehälter (11) aufweist.
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