DE102006040198A1

DE102006040198A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formen

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Publication number: DE102006040198A1
Application number: DE200610040198
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: DE102006040198B4

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formen, besonders geeignet zur wirtschaftlichen Herstellung großer Faserverbundwerkstücke. Hierfür wird die Form in ein partikelartiges Medium eingearbeitet, welches anschließend durch Vakuum in einer elastischen Umhüllung fixiert wird und die fertige Form bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formen und bezieht sich auf das Problem, bei verschiedenen Anwendungen von Verbundwerkstoff, Formen wirtschaftlich effizient herzustellen. Für die Fertigung großer Körper aus Verbundwerkstoffen, zum Beispiel Flugzeugrümpfe aus faserverstärkten Kunststoffen, Rotorblätter einer Windkraftanlage sowie weitere Gieß- und Laminieranwendungen werden entsprechend große Formen benötigt.
Heutzutage werden für kleinere Bauteile aus Metall gefertigte Presswerkzeuge verwendet. Bei diesem Verfahren ist das so genannte „Sheet Molding Compout" (SMC) bekannt, dessen Eigenschaften und Bezeichnungen in der DIN EN 14598 definiert sind. Es handelt sich um einen wachsartigen Matrixkomplex, welcher durch das Presswerkzeug seine Form erhält und durch gleichzeitiges Erhitzen ausgehärtet wird. Ein erweitertes, in der Luft- und Raumfahrttechnik verwendetes Verfahren verwendet Metallformen und Autoklaven zur Herstellung. Der Pressdruck wird hierbei durch den Autoklav erzeugt. Der hierbei eingesetzte Matrixkomplex wird als „preimpregnated fibres" (Prepeg) bezeichnet.
Für größere Bauelemente, wie etwa Bootsrümpfe, lasen sich die eben genanten Verfahren aus gründen der Wirtschaftlichkeit nicht anwenden. Entsprechende Formen werden daher aus Holz gefertigt. Bekannt ist hier die Spantenbauweise, welch in vielerlei Anwendungen, zumeist zur Erlangung gewölbter oder runder Oberflächen, zum Einsatz kommt. Hierzu werden die einzelnen Spanten zueinander ausgerichtet und mittels Stringer verbunden. Eine anschließende Beplankung und Bearbeitung der Oberfläche führt zur gewünschten Form.
Ein weiteres bekanntes Verfahren, nur in speziellen Fällen angewandt, verwendet Halbzeuge beispielsweise Blöcke aus geschäumtem Kunststoff, aus welchen mittels automatisierter Bearbeitung die Form hergestellt wird.
Allgemein ist zu sagen, dass die genanten Verfahren mit zunehmender Größe des herzustellenden Objektes, ihre Wirtschaftlichkeit verlieren. Neben dem hohen Materialbedarf, bei der verbreiteten Spantenbauweise auch der enorme Arbeitszeitaufwand, ist hierfür zusätzlich die eingeschränkte Wiederverwendbarkeit des Formmaterials verantwortlich. Weiterhin benötigen die genanten Verfahren oftmals eine zeitaufwendige Nachbearbeitung der Formoberfläche.
Der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, durch automatisierte Bearbeitbarkeit sowie Wiederverwendbarkeit des Formmaterials die wirtschaftliche Effizienz zu erhöhen. Um eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit zu erreichen, soll der Nacharbeitungsprozess der Oberfläche, sowohl an der Form als auch am Werkstück selbst, auf ein Minimum reduziert werden. Eine gute Entformbarkeit muss gewährleistet sein.
Ein besonders einfaches, vielseitiges und wirtschaftliches, insbesondere bei der Fertigung großer Kleinserienprodukte und Einzelanfertigungen, Verfahren und der dazugehörigen Vorrichtung zur Herstellung von Formen, ist gemäß Patentanspruch 1 gekennzeichnet durch den gasdichten Einschluss eines Volumens von einer Randung (b), mit mindestens einem elastischen, verformbaren Bereich (d) und einer gasdicht, vorzugsweise durch den elastischen Bereich, verschließbaren Öffnung (c), welche temporären Zugang zum eingeschlossenen Volumen gewährt; gekennzeichnet durch die Befüllung des Volumens mit einem, vorwiegend aus einzelnen Partikeln bestehendem, gasdurchlässigen Mediums(a) welches durch Bearbeitung wie fügen, trennen und/oder verlagern, vorzugsweise automatisierter Art, die gewünschte Form annimmt; gekennzeichnet dadurch, dass die erwünschte Form durch den elastischen Bereich abgebildet wird, was durch Evakuierung (e) des Volumens und dem damit verbundenem Anlegen des elastischen Bereichs an das Medium geschieht, wobei das Medium durch die einwirkende Kraft des Luftdrucks stabilisiert und fixiert wird; auch gekennzeichnet dadurch, dass der elastische Bereich als Formoberfläche dient.
Ein Bestandteil der Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, durch Ausnutzung des atmosphärischen Luftdrucks, die Reibung zwischen den Partikeln des Mediums derart zu erhöhen, so dass eine darin eingearbeitete Form, stabilisiert und fixiert wird.
Durch diese, dem derzeitigen Formbau unbekannte technische Lehre ergeben sich enorme Vorteile. So können im Verhältnis zu anderen Verfahren sehr preiswerte Formmaterialien Verwendung finden. Eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ergibt sich durch die uneingeschränkte, direkte Wiederverwendbarkeit des Formmaterials sowie der Darstellbarkeit der Form durch automatisierte Prozesse. Bei Verwendung entsprechender Folien für den elastischen Bereich der Vorrichtung wird am Werkstück ohne Nachbearbeitung eine einwandfreie Oberfläche erreicht, wodurch aufwendiges Nacharbeiten überflüssig wird. Auch große Werkstücke sind leicht entformbar, da die Stabilität der Form vorwiegend auf Vakuum beruht. Aufgrund dieser Vorteile erhält dieses Verfahren auch bei heute noch nicht realisierten Größen, etwa bei Faserverbundobjekten, seine Wirtschaftlichkeit.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, ein gasdichtes Becken mit fester Wandung, in dem sich das Medium befindet und von oben einbringen, abführen, bearbeiten und formen lässt, welches anschließend mit einer elastischen Folie, welche den elastischen Bereich der Wandung bildet, verschlossen wird, so dass Folie und Becken das Volumen mit dem Medium luftdicht separieren. Zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Medium vorwiegend aus Sand besteht, welchem Zusätze zu einer erhöhten Zugfestigkeit, vorzugsweise Wasser, beigemengt sind. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, für den elastischen Bereich eine Folie, welche eine Bruchdehnung von mindestens 250% aufweist, einzusetzen. Bei manchen Anwendungen ist es von Vorteil, den elastischen Bereich durch einen, auf dem geformten Medium, vorzugsweise durch Aufsprühen, aufgebrachten und aushärtenden, flüssigen Kunststoff herzustellen. In einfacher Weise lassen sich, Strukturen, wie Ecken und Kanten, welche durch das nachfolgende Einbringen und Anlegen des elastischen Bereichs unter Vakuum gefährdet sind, nach dem Bearbeiten und Formen des Mediums, durch lokales Einbringen einer haftvermittelnden Substanz, zwischen die Partikel des Mediums, fixieren. Eine weiter vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist gekennzeichnet dadurch, dass zwei Formbecken mit eingebrachter und fixierter Halbform durch Aneinanderfügen eine komplette Hohlform bilden. (6)
Die nachfolgende Ausführung erläutert eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
1 prinzipieller Aufbau der Vorrichtung

a: Medium
b: Randung
c: Verschließbare Öffnung
d: Elastischer Bereich der Wandung
e: Vakuumpumpe

2 ein beispielhafter Aufbau der Anlage zum Verfahren im Schnitt
Die wichtigsten Merkmale sind:

1: Das Medium (zum Beispiel feuchter Sand)
2: Behältnis bzw. Untergrund
3: Luftdichte Separierung
4: Elastische Folie zum Beispiel Naturkautschuk
5: Halterung für die Folie
6: Vakuumpumpe

3 denkbare Möglichkeit zur Formgebung mittels Fräsmaschine

7: Absaugvorrichtung
8: Bearbeitungswerkzeug (Fräskopf)

4 eine fertige Form welche nun durch den Luftdruck über der Folie stabilisiert und fixiert ist und verwendet werden kann
5 Verfahrensablauf
6 Beispiel einer Hohlform

9: Fixierte und geformte Halbform

Der Bau eines Schiffsrumpfs aus Faserverstärktem Kunststoff mit dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung:

1. Einbringen des angefeuchteten Quarzsandes in ein gasdichtes Becken mit anschließender Verdichtung, beispielsweise durch Vibration und Druck. Alternativ kann dies durch Überziehen einer Folie und Evakuieren geschehen.
2. Die Form wird mit einer CNC gesteuerten Portalfräseinheit, welche mit den Daten des Schiffsrumpfes gespeist wird, in den Sand hineingearbeitet. Der gelöste Sand wird gleichzeitig abgesaugt. Der Einsatz weiterer Methoden zur Formgebung ist denkbar. Möglich sind etwa direktes Absaugen, Verdichten sowie Verlagern/Bewegen. Zur Bearbeitung ist auch die Einbringung von Schallenergie/Vibration denkbar.
3. Nun wird mit einer Latexfolie das Becken verschlossen. Eine geeignete Vorrichtung erleichtert den luftdichten Verschluss und ermöglicht eine Vorspannung bzw. fixiert die Folie am Behältnis bei später auftretenden Zugspannungen.
4. Darauf folgend wird das Becken evakuiert. Somit presst der Luftdruck die dehnbare Folie an die Kontur der negativen Schiffsrumpfsform. In manchen Anwendungsfällen ist es sinnvoll, das Vakuum nicht maximal auszubilden um den nachfolgend unter 5. geschilderten Verfahrensschritt zu erleichtern.
5. Nun besteht die Möglichkeit die Form mittels mechanischer Krafteinwirkung auf den Sand, von Außen durch die Folie aufgebracht, nachzubearbeiten. Beispielsweise durch Rollen und der damit entstehenden Verlagerung und Glättung des Sandes. Es sei darauf hingewiesen, dass in speziellen Fällen auf Schritt 2 verzichtet und die Formgebung ausschließlich hiermit erreicht werden kann. Wie in Punkt 2 genannt kann auch hierzu auf Schallenergie/Vibration zurückgegriffen werden, um die Fließeigenschaften des Sandes zu verändern und die Bearbeitung zu erleichtern.
6. Nachdem die Form wunschgemäß ausgebildet ist, empfiehlt es sich zur Sicherung der Form, das Vakuum entsprechend zu erhöhen.
7. Durch die damit entstandene Festigkeit ist die Form nun verwendungsbereit. Nun wird das Fasergelege, nach etwaigem Aufbringen eines Trennmittels, eingebracht. Das Werkstück, in diesem Fall der Schiffrumpf, kann entweder durch Handlaminieren der einzelnen Schichten oder durch das ebenfalls bekannte Vakuuminjektionsverfahren in der Formvorichtung hergestellt werden.
8. Nach Aushärtung wird das Vakuum aufgehoben, die Form verliert ihre Festigkeit und der fertige Rumpf wird leicht freigegeben.

Für den Fachmann ist es ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dabei soll die vorliegende Erfindung auch ihre Änderungen und Modifikationen umfassen, sofern diese im unmittelbaren oder äquivalenten Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formen, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale: dem gasdichten Einschluss eines Volumens von einer Randung, welche mindestens einen elastischen, verformbaren Bereich und weiterhin eine gasdicht, vorzugsweise durch den elastischen Bereich, verschließbaren Öffnung, welche temporären Zugang zum eingeschlossenen Volumen gewährt, besitzt; der Befüllung des Volumens mit einem vorwiegend aus einzelnen Partikeln bestehendem, gasdurchlässigen Mediums welches durch Bearbeitung wie fügen, trennen und/oder verlagern, vorzugsweise automatisierter Art, die gewünschte Form annimmt; dass der elastische Bereich die erwünschte Form abbildet, herbeigeführt durch die Evakuierung des Volumens und dem damit verbundenem Anlegen des elastischen Bereichs an das Medium, wobei das Medium durch die einwirkende Kraft des Luftdrucks stabilisiert und fixiert wird; der elastische Bereich als Formoberfläche dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein gasdichtes Becken mit fester Wandung, in dem sich das Medium befindet und von oben einbringen, abführen, bearbeiten und formen lässt, welches anschließend mit einer elastischen Folie, welche den elastischen Bereich der Wandung bildet, verschlossen wird; gekennzeichnet dadurch, dass Folie und Becken das Volumen mit dem Medium luftdicht separieren.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem das Medium vorwiegend aus Sand besteht, welchem Zusätze zu einer erhöhten Zugfestigkeit, vorzugsweise Wasser, beigemengt sind.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem der elastische Bereich aus einer Folie besteht, die eine Bruchdehnung von mindestens 250% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der elastische Bereich durch einen, auf dem geformten Medium, vorzugsweise durch Aufsprühen aufgebrachten, aushärtenden, flüssigen Kunststoff gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem, nach dem Bearbeiten und Formen des Mediums, durch lokales Einbringen einer haftvermittelnden Substanz zwischen die Partikel des Mediums, Strukturen, wie Ecken und Kanten, die durch das nachfolgende Einbringen und Anlegen des elastischen Bereichs gefährdet sind, fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden Ablauf: a) dem Einbringen des aus Partikeln bestehenden Mediums in das Behältnis mit anschließender Verdichtung, b) dem Hineinarbeiten der benötigten Form in das vorbereitete Medium, c) dem gasdichten Verschließen des Behältnisses, d) der Evakuierung des vom Behältnis umschlossenen Volumens, e) dem Einbringen des zu formenden Werkstoffes.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 7, gekennzeichnet durch folgenden Ablauf: a) dem Einbringen von angefeuchtetem Sand, dem auch weitere Hilfsstoffe zugesetzt sein können, in das Behältnis mit anschließender Verdichtung, beispielsweise durch Vibration und/oder Druck, b) dem Hineinarbeiten der benötigten Form in das vorbereitete Medium durch einen CNC geführten Fräskopf, an dem sich eine Absaugvorrichtung für das gelöste, abgetragene Medium befindet, c) dem Verschließen des Behältnisses mit einer Latex- oder Copolymerfolie, d) dem darauf folgenden Evakuieren des Behältnisses, wobei nun der Luftdruck die dehnbare Folie an die Kontur des vorgeformten Mediums presst und das Medium fixiert, e) dem Nacharbeiten mit einer CNC geführten parabelförmige Rolle, von außen durch die auf dem Medium anliegende Folie, um eine optimale Oberfläche sowie akkurate Formen und Kanten zu erhalten, f) dem Einbringen des, ggf. vorgewebten, Fasergeleges, g) dem gasdichten Abdecken des Fasergeleges mit einer zweiten Folie, so dass die Faserstruktur sich in einem abgetrennten Raum befindet und somit eine Harzinjektion mit dem bekannten Vakuuminjektionsverfahren durchgeführt werden kann, h) nach erfolgter Aushärtung des Kompositmateriales wird das Vakuum aufgehoben, somit kann das fertige Werkstück leicht entformt werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass zwei Formbecken mit eingebrachter und fixierter Halbform durch Aneinanderfügen eine komplette Hohlform bilden. (6)
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Formen durch integrieren vorgefertigter Formelemente, mit ausreichender Gasdurchlässigkeit des Formelementenmaterials, sollen diese unter der Folie fixiert werden, erweitert wird.