DE102006057640A1

DE102006057640A1 - Verfahren zum Herstellen eines Formwerkzeugs mit einer Verschleißschutzschicht

Info

Publication number: DE102006057640A1
Application number: DE200610057640
Authority: DE
Inventors: Steffen BÜRKNER; Dietrich P. Jonke; Martin Englhart
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-12
Also published as: WO2008067961A2; WO2008067961A3

Abstract

Die Erfindung betrifft den Einsatz von Formwerkzeugen zur Herstellung von Formbauteilen und insbesondere die Herstellung solcher Formwerkzeuge, die zur Fertigung von Faserverbundbauteilen vorgesehen sind. Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines aus einem Faserverbund (10') gebildeten Formwerkzeugs (10) mit einer Verschleißschutzschicht (18) an einer Formoberfläche (12') des Formwerkzeugs (10) vorgesehen, wobei die Verschleißschutzschicht (18) und/oder eine Haftvermittlungsschicht für die Verschleißschutzschicht (18) durch ein thermisches Spritzen aufgebaut wird. Damit kann in einfacher Weise insbesondere die Verschleißbeständigkeit bzw. Lebensdauer von Formwerkzeugen, die aus einem Faserverbund (10') wie beispielsweise CFK hergestellt sind, beträchtlich erhöht werden.

Description

Die Erfindung betrifft den Einsatz von Formwerkzeugen zur Herstellung von Formbauteilen und insbesondere die Herstellung solcher Formwerkzeuge, die zur Fertigung von Faserverbundbauteilen dienen.
Für die industrielle Fertigung von Formbauteilen werden oftmals robuste Form-Werkzeuge benötigt, die einer großen Anzahl von Fertigungszyklen widerstehen, um eine entsprechende Anzahl von Formbauteilen mit ein und demselben Werkzeug fertigen zu können.
Die Oberflächenkontur eines mit einem Formwerkzeug gefertigten Bauteils wird durch eine entsprechende Formoberfläche des Formwerkzeugs bestimmt. Verschleißerscheinungen an dieser Formoberfläche des Werkzeugs führen somit zwangsläufig zu einer Qualitätsverschlechterung der gefertigten Bauteile bzw. zu einer Fertigung von Ausschuss.
Beispielsweise werden zur Fertigung von CFK-Bauteilen (CFK = Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) dienende Formwerkzeuge vor ihrer Verwendung oftmals mit einem z. B. flüssigen Trennmittel beschichtet. Nach dem Entformen des CFK-Bauteils können, je nach Fertigungsmethode, eingebrannte Trennmittelrückstände an der Formoberfläche verbleiben, welche in der Regel durch scharfkantige Werkzeuge wie Schaber entfernt werden müssen. Dies bringt die Gefahr einer oberflächlichen Schädigung des Formwerkzeugs mit sich.
Die Herstellung eines vergleichsweise robusten Formwerkzeugs, beispielsweise einer gefrästen Stahlform, ist mit beträchtlichen Kosten verbunden.
Gemäß eines auf internen betrieblichen Kenntnissen der Anmelderin beruhenden Stands der Technik werden kostengünstigere Formwerkzeuge aus CFK hergestellt, die wiederum der Fertigung von CFK-Bauteilen dienen.
Die eher geringe Verschleißfestigkeit solcher CFK-Werkzeuge ("CFK-Femis") behindert jedoch den produktionstechnischen Durchbruch der ansonsten den dehnungskompatiblen Stahlformen überlegenen CFK-Werkzeuge. Kostengünstigere Werkzeuge wären jedoch insbesondere bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen (z. B. lasttragenden CFK-Strukturen im Flugzeugbau) sehr interessant. Bislang werden derartige CFK-Werkzeuge nur im Prototypenbau und in Kleinstserien verwendet, da deren Standzeit sehr gering ist.
Für den Einsatz bei größeren Serien fehlt im Moment als Voraussetzung eine verschleißfeste und robuste Formoberfläche. Die derzeit verwendeten CFK-Werkzeuge haben eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa 50 bis 80 Zyklen. Selbst innerhalb dieser kurzen Lebensdauer sind häufige Reparaturen nötig, d. h. die schadhaften Stellen werden ausgearbeitet und anschließend mit einem speziellen Reparatur-System aufgefüllt. Anschließend muss die Oberfläche geschliffen und poliert werden. Dabei nimmt die Standzeit des Werkzeugs mit jeder Reparatur ab.
Desweiteren erfordern diese CFK-Werkzeuge den Einsatz großer Mengen von flüssigen oder pasteusen Trennmitteln, die wiederum teilweise in einem eigenen Zyklus in die Formoberfläche "eingebrannt" werden müssen.
Aus diesem Grund werden für Serien mit höheren Stückzahlen fast nur noch Stahlvorrichtungen eingesetzt. Diese Stahlformen sind jedoch teuer und schon für kleinere Bauteile schwer und unhandlich.
In der Luftfahrtindustrie werden die Formwerkzeuge zur Fertigung von Faserverbundbauteilen, insbesondere CFK-Bauteilen, jedoch immer größer und komplexer. Aus diesem Grund besteht ein zunehmendes Bedürfnis, geeignete Formwerkzeuge aus leichteren Materialien als den teuren Stählen herzustellen. Die prinzipiell einsetzbaren Formwerkzeuge aus CFK sind trotz aller ihrer Vorteile (z. B. geringes Gewicht, geringe Material- und Herstellungskosten, Verzugsfreiheit) zumeist nicht verschleißfest genug, um insbesondere zur Fertigung von großen Formbauteilen wirtschaftlich eingesetzt zu werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, der Qualität und der Umweltverträglichkeit bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen, insbesondere von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen, mit Hilfe von Formwerkzeugen zu unterstützen, welche aus einem Faserverbund gebildet sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines aus einem Faserverbund gebildeten Formwerkzeugs mit einer Verschleißschutzschicht an einer Formoberfläche des Formwerkzeugs gelöst, wobei die Verschleißschutzschicht und/oder eine Haftvermittlungsschicht für die Verschleißschutzschicht durch thermisches Spritzen aufgebaut wird.
Mit der Erfindung kann somit in einfacher Weise insbesondere die Verschleißbeständigkeit bzw. Lebensdauer von Formwerkzeugen, die aus einem Faserverbund wie beispielsweise CFK hergestellt sind, beträchtlich erhöht werden.
Der Begriff "thermisches Spritzen" bezeichnet hierbei eine Oberflächenbeschichtungstechnik, bei welcher ein Spritzmaterial in Form von durch thermische Energie erweichten oder geschmolzenen Partikeln auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht wird, wobei die aufgebrachten Partikel sich an der Oberfläche wieder verfestigen und somit eine Zusatzmaterialschicht (Verschleißschutzschicht und/oder Haftvermittlungsschicht hierfür) ausbilden.
Für das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren im Rahmen der Herstellung des Formwerkzeugs kommen prinzipiell alle an sich bekannten thermischen Spritzverfahren in Betracht.
Als Energieträger zur Zufuhr der zum Erweichen bzw. Aufschmelzen des Spritzmaterials kann z. B. eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme, ein elektrischer Lichtbogen, ein Plasmastrahl oder ein Laserstrahl dienen.
Für den thermischen Spritzprozess geeignete Spritzpistolen, denen das Spritzmaterial z. B. in Pulverform oder als Draht bzw. Stab zugeführt wird, sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und können somit vorteilhaft im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden. Im Hinblick auf optimierte Eigenschaften der thermisch aufgespritzten Beschichtung kann eine solche Spritzpistole z. B. mit einem Pulver beschickt, welches eine präzise eingestellte Korngrößenverteilung besitzt.
In einer Ausführungsform ist ein Draht- oder Stabflammspritzen vorgesehen, bei welchem das als Draht bzw. Stab zugeführte Spritzmaterial in einer Brenngas (z. B. Acetylen)-Sauerstoff-Flamme kontinuierlich aufgeschmolzen wird, wobei mit Hilfe eines Zerstäubergases (z. B. Druckluft oder Stickstoff) tröpfchenförmige Spritzpartikel abgelöst und auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert werden.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Pulverflammspritzen vorgesehen, bei welchem ein pulverförmiges Spritzmaterial in einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme an- oder aufgeschmolzen und mit Hilfe der expandierenden Verbrennungsgase auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert wird. Gegebenenfalls kann ein zusätzliches Gas (z. B. Argon oder Stickstoff) zur der Beschleunigung der Partikel auf die Oberfläche verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ("HVOF") vorgesehen, bei welchem eine kontinuierliche Gasverbrennung mit hohen Drücken in einer Brennkammer erfolgt, in deren zentraler Achse ein pulverförmiges Spritzmaterial zugeführt wird, wodurch die Spritzpartikel auf besonders hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Diese Variante ist insbesondere zur Schaffung einer besonders dichten Spritzschicht oftmals besonders vorteilhaft.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Lichtbogenspritzen vorgesehen, bei welchem zwei drahtförmige Spritzmaterialien in einem zwischen den Drahtenden ausgebildeten Lichtbogen abgeschmolzen und mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert werden. Diese Variante ist insbesondere bei Verwendung eines metallischen Spritzmaterials vorteilhaft einsetzbar.
Mit der Erfindung können die beim Fertigungsprozess der Formbauteile in Kontakt mit dem zu formenden Material tretenden Formoberflächen in einfacher Weise, nämlich durch die thermisch aufgespritzte Beschichtung, mit einer Verschleißschutzschicht versehen werden.
Die durch thermisches Spritzen aufgebaute Beschichtung kann hierbei unmittelbar die Verschleißschutzschicht ausbilden, die bei der späteren Fertigung der Formbauteile mit dem zu formenden Material in Kontakt tritt. Alternativ oder zusätzlich kann diese Beschichtung eine Haftvermittlungsschicht zwischen der Verschleißschutzschicht und dem Grundmaterial (Faserverbund) des Formwerkzeugs ausbilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Faserverbund von CFK gebildet wird. Dies besitzt insbesondere den Vorteil, dass das Formwerkzeug zu geringen Kosten, mit leichtem Gewicht und äußerst formstabil hergestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Formwerkzeug zur Fertigung von Faserverbundbauteilen, insbesondere zur Fertigung von CFK-Bauteilen, vorgesehen.
Faserverbundbauteile sind in vielen Anwendungsbereichen vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) interessant. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten enthält der Werkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beide einzeln beteiligten Komponenten. Bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen kann ein Formwerkzeug z. B. zum Kompaktieren und/oder Aushärten (zumeist thermisches Aushärten) eines mit einem Matrixmaterial (z. B. Harz) infiltrierten Fasermaterials eingesetzt werden. Bei einem solchen Formwerkzeug können schadhafte Stellen in der Formoberfläche insbesondere bei der mechanischen Reinigung durch die Anwendung von Schabern, Spachteln oder anderen scharfkantigen Werkzeugen zum Entfernen von Matrixmaterial und eingebrannten Trennmittelrückständen entstehen. Solche Schäden können bei einem erfindungsgemäß hergestellten Formwerkzeug jedoch durch die im Rahmen der Herstellung ausgebildete Verschleißschutzschicht vermieden werden, was die Standzeit des Werkzeugs beträchtlich verlängert.
In diesem Zusammenhang ist auch zu bedenken, dass CFK-Bauteile und ein korrespondierendes CFK-Formwerkzeug (Femi) in der Regel ein artgleiches bzw. ähnliches Harzsystem enthalten. Bei einer ungeschützten Formoberfläche des Werkzeugs führt die hohe chemische Affinität der betreffenden Harze untereinander zu Anbackungen und chemischen Bindungen. Hierdurch werden erhöhte Entformungskräfte erforderlich, die zu Formbeschädigungen als auch zu Bauteilbeschädigungen führen können. Daraus resultierend entstehen zusätzlich hohe Reinigungskosten und hoher Flächenabtrag sowie unerwünschte geometrische Veränderungen durch zyklisch wiederkehrendes Überarbeiten bzw. Entfernen der Harzrückstände. Durch die erfindungsgemäß bereitgestellte Verschleißschutzschicht kann diese Problematik jedoch beseitigt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das thermische Spritzen mit einem Metall oder einer Metalllegierung durchgeführt wird, sei es zum Aufbau einer gegebenenfalls vorgesehenen Haftvermittlungsschicht oder zum Aufbau der Verschleißschutzschicht.
In einer spezielleren, insbesondere z. B. für Formwerkzeuge zur Fertigung von CFK-Bauteilen besonders interessanten Ausführungsform ist die Verschleißschutzschicht aus einer Legierung von Eisen und Nickel gebildet, wobei der Nickelanteil bevorzugt im Bereich von 30 % bis 40 % liegt, insbesondere etwa 36 % beträgt. Derartige Werkstoffe werden z. B. als "Nickel 36", "Invar 36" und "Pernifer 36" kommerziell vertrieben.
Insbesondere die zuletzt genannten Metalllegierungen sind relativ teuer und schlecht bearbeitbar, so dass z. B. unmittelbar aus solchen Metalllegierungen hergestellte Formwerkzeuge entsprechend teuer wären. Mit der Erfindung kann jedoch ein formstabiles und kostengünstiges Grundmaterial des Formwerkzeugs (Faserverbund) mit einer solchen Metalllegierung als Verschleißschutz kombiniert werden.
Falls die Verschleißschutzschicht unmittelbar durch das thermische Spritzen aufgebaut wird, so kann z. B. Nickel 36 einer robotergeführten Spritzpistole als Pulver oder Draht, je nach geforderten Schichteigenschaften, zugeführt werden. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, ähnliche artgleiche Werkstoffe zu applizieren, etwa durch entsprechende Pulverbeimischungen. Durch geeignete Wahl des oder der Spritzmaterialien sowie der verwendeten Spritzmethode lassen sich besonders haftfeste Oberflächenbeschichtungen platzieren.
Wie bereits erwähnt, ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht auf der Oberfläche des Faserverbunds durch thermisches Spritzen aufgebaut wird, sei es mit oder ohne spezielle darunter angeordnete Haftvermittlungsschicht, die ebenfalls vorteilhaft durch thermisches Spritzen aufgebaut werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht zunächst an einer Formoberfläche eines zur Bildung des Formwerkzeugs aus dem Faserverbund vorgesehenen "Urwerkzeugs" bereitgestellt wird und dann bei der Bildung des Formwerkzeugs von der Formoberfläche des Urwerkzeugs auf die Formoberfläche des Formwerkzeugs übertragen wird.
Die Besonderheit dieser Beschichtungsmethode besteht also darin, dass die Verschleißschutzschicht nicht unmittelbar am Ort ihrer Verwendung aufgebaut wird, sondern separat davon. Diese Verschleißschutzschicht wird während des Formungsprozesses, bei welchem das Formwerkzeug hergestellt wird, vom Urwerkzeug "abgeformt bzw. ablaminiert".
Bei dieser alternativen Ausführungsform sind wiederum zwei Ausführungsvarianten besonders interessant, die sich in der Art und Weise der Bereitstellung der abzulaminierenden Verschleißschutzschicht unterscheiden.
Bei einer ersten Variante ist vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht als Blech oder Folie (z. B. aus Metall) auf die Formoberfläche des Urwerkzeugs aufgelegt wird und die Verschleißschutzschicht, vor oder nach dem Auflegen, durch thermisches Spritzen mit einer Haftvermittlungsschicht versehen wird.
Bei einer zweiten Variante ist vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht durch thermisches Spritzen auf der Formoberfläche des Urwerkzeugs aufgebaut wird.
Für alle Ausführungsformen ganz allgemein ist es von Vorteil, wenn die durch das thermische Spritzen aufgebaute Beschichtung (Haftvermittlungsschicht und/oder Verschleißschutzschicht) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich allenfalls geringfügig von demjenigen des Grundmaterials des Formwerkzeugs (Faserverbund, z.B. CFK) unterscheidet, bevorzugt um weniger als 10 % unterscheidet.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene thermische Spritzen können vorteilhaft auch relativ großflächige (z. B. größer als 1 Quadratmeter) Beschichtungen mit Schichtdicken bis zu mehreren Millimetern realisiert werden. Zumeist genügen zur Ausbildung einer Haftvermittlungsschicht oder Verschleißschutzschicht Schichtdicken im Bereich von weniger als 1 mm.
Falls das thermische Spritzen zum direkten Aufbau der Verschleißschutzschicht auf der Oberfläche des Faserverbunds vorgesehen ist, so ist es vorteilhaft, wenn zuvor eine Vorbehandlung der Formoberfläche erfolgt, beispielsweise um damit die Haftung des Spritzmaterials zu verbessern (wenn keine separate Haftvermittlungsschicht vorgesehen ist).
Die Vorbehandlung der Formoberfläche kann z. B. eine mechanische Bearbeitung umfassen (z. B. Schleifen, Fräsen etc.). Auch ein Strahlprozess, insbesondere ein Sandstrahlen, kommt als mechanische Vorbehandlung in Betracht. Alternativ oder zusätzlich kann die Formoberfläche z. B. mittels eines Lasers strukturiert bzw. aufgeraut werden.
Wenngleich der Wärmeeintrag beim thermischen Spritzen im Allgemeinen relativ klein ist, so kann es unter Umständen vorteilhaft sein, wenn die Formoberfläche während des thermischen Spritzens gekühlt wird. In sehr empfindlichen Bereichen oder bei sehr hohen lokalen Beschichtungsraten können damit z. B. durch gezieltes Kühlen kritische Temperaturen und lokale Überhitzungen zuverlässig vermieden werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein durch das thermische Spritzen direkt auf die Formoberfläche des Werkzeugs aufgebrachter Verschleißschutzwerkstoff auf Übermaß aufgespritzt und durch eine Nachbearbeitung wie z. B. ein Schleifen oder Polieren auf eine gewünschte Endkontur gebracht wird.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch das thermische Spritzen mehrere Schichten eines oder mehrerer Spritzmaterialien auf die betreffende Formoberfläche (des Werkzeugs oder des Urwerkzeugs) aufgebracht werden.
Solche Einzelschichten können sich im verwendeten Spritzmaterial und/oder in den gewählten Spritzparametern (z. B. Temperatur des Spritzgutes, Spritzrate etc.) unterscheiden. In dieser Weise können z. B. eine besonders haftfähige Schicht unmittelbar an der Formoberfläche des Formwerkzeugs und eine eher harte und/oder für den betreffenden Formbauteil-Fertigungsprozess besonders günstige Eigenschaften aufweisende Deckschicht vorgesehen werden (z. B. eine Decklage mit anti-adhäsiver Wirkung für das Matrixmaterial eines mit dem Form werkzeug zu fertigenden Faserverbundbauteils). Durch die Verwendung fluorpolymerhaltiger Materialien kann beispielsweise eine trennmittelfreie Fertigung von CFK-Leichtbaustrukturen realisiert werden. Gegebenenfalls kann zwischen zwei benachbarten Einzelschichten einer thermisch aufgespritzten mehrlagigen Beschichtung auch ein kontinuierlicher Wechsel des Materials und/oder der Materialstruktur erfolgen ("Gradientenschicht").
Gemäß der Erfindung kann die thermische Spritztechnik bei der Beschichtung von CFK-Formwerkzeugen wahlweise auftragend oder abformend zum Einsatz kommen. Mit thermisch gespritzten Schichtsystemen können CFK-Oberflächen zum einen vor Verschleiß geschützt werden und zum anderen anti-adhäsiv modifiziert werden (optional), um ein Anbacken von Bauteilharz bei der Fertigung von CFK-Bauteilen zu verhindern.
Ferner besteht die Möglichkeit, eine Metallfolie oder ein Metallblech durch einseitige Beschichtung mittels thermischen Spritzen haftfest in die Oberfläche von CFK-Formwerkzeugen zu integrieren. Vor dem einseitigen Auftrag der Haftschicht mittels thermisch Spritzen kann eine Permanent-Trennschicht auf der Rückseite der Folie bzw. des Blechs bereits eingebrannt sein (z. B. Lacksystem auf Fluorpolymer-Basis).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
1 ist eine schematische Seitenansicht eines Formwerkzeugs, an dessen Formoberfläche direkt durch thermisches Spritzen eine Verschleißschutzschicht aufgebaut wird,
2 ist eine der 1 entsprechende Ansicht nach Abschluss des Aufbaus der Verschleißschutzschicht,
3 ist eine schematische Seitenansicht gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels, bei welchem eine Verschleißschutzschicht durch thermisches Spritzen zunächst auf der Formoberfläche eines mit einer Trennmittelschicht versehenen Urwerkzeugs aufgebaut wird,
4 ist eine der 3 entsprechende Ansicht nach Abschluss des Aufbaus der Verschleißschutzschicht,
5 veranschaulicht den Formungsprozess eines Faserverbunds mittels des Urwerkzeugs,
6 veranschaulicht den Abschluss des Formungsprozesses und die hierbei erfolgte Übertragung der Verschleißschutzschicht vom Urwerkzeug auf das Werkzeug,
7 veranschaulicht ein drittes Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Haftvermittlungsschicht durch thermisches Spritzen an einer Oberfläche einer an der Formoberfläche eines Urwerkzeugs aufgelegten Verschleißschutzfolie aufgebaut wird,
8 ist eine der 7 entsprechende Ansicht nach Abschluss des Aufbaus der Haftvermittlungsschicht,
9 veranschaulicht einen Formungsprozess eines Faserverbunds mittels des Urwerkzeugs, und
10 zeigt das durch den Formungsprozess hergestellte Formwerkzeug, auf dessen Formoberfläche sich die von der Formoberfläche des Urwerkzeugs übertragene Verschleißschutzfolie befindet.
Die 1 und 2 veranschaulichen die Herstellung eines Formwerkzeugs 10, welches zur späteren Fertigung von CFK-Bauteilen vorgesehen ist.
1 zeigt das noch "ungeschützte" Formwerkzeug 10', welches durch Kompaktieren und Aushärten eines mit einem Matrixmaterial (z. B. Harz) imprägnierten Kohlenstofffasermaterials (z. B. Stapel aus Kohlenstofffasermatten) bereitgestellt wurde.
Würde man dieses aus einem Faserverbund (hier: CFK) gebildete Formwerkzeug 10' für eine Serienfertigung von CFK-Bauteilen verwenden, deren Endkontur durch die Kontur einer Formoberfläche 12' des Formwerkzeugs 10' bestimmt wird, so würde die Formoberfläche 12' nach vergleichsweise wenigen Fertigungszyklen bereits erheblich verschleißen.
Daher wird, wie es in 1 dargestellt ist, an der ungeschützten Formoberfläche 12' durch thermischen Spritzen mittels einer Spritzpistole 14 ein Spritzmaterial 16 aufgebracht (z. B. HVOF oder Lichtbogendrahtspitzen).
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit der robotergeführten thermischen Spritzpistole 14 eine Metalllegierung (hier: Nickel 36-Pulver) aufgeschmolzen und aufgespritzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Formoberfläche 12' zuvor einer Vorbehandlung unterzogen, welche die Haftung des nachfolgend thermisch aufgespritzten Materials 16 an dem Werkzeug 10' steigert (z. B. durch Strahlen, La serreinigen, Plasma-Ätzen etc.). Eine solche Vorbehandlung kann insbesondere zur Aufrauhung der Oberfläche 12' dienen.
Gegebenenfalls kann auch vorgesehen sein, dass das Formwerkzeug 10' während des thermischen Spritzens aktiv gekühlt wird, beispielsweise von der Unterseite des Formwerkzeugs her (z. B. Wasserkühlung).
2 zeigt das Ergebnis des thermischen Spritzprozesses, durch welchen die Formoberfläche 12' überdeckend eine metallische Verschleißschutzschicht 18 ausgebildet wurde.
Die Verschleißschutzschicht 18 bildet auf der dem Faserverbund 10' abgewandten Seite eine neue Formoberfläche 12 des damit fertiggestellten Formwerkzeugs 10. Optional kommt eine Nachbearbeitung (z. B. Polieren) der Oberfläche 12 in Betracht.
Das Formwerkzeug 10 verschleißt somit nicht so schnell durch die damit durchgeführten Fertigungszyklen bzw. durch mechanische Verletzungen und Beschädigungen mittels Reinigungswerkzeugen, die zur Säuberung der Formoberfläche 12 nach jedem einzelnen Fertigungszyklus in der Regel erforderlich sind. Weiterhin schützt die Beschichtung 18 das Werkzeug 10 vor übermäßiger chemischer Alterung bzw. Degradation, z. B. aufgrund von Oxidation an der ungeschützten Oberfläche 12'.
Die applizierte Verschleißschutzschicht 18 kann z. B. ein "reiner Verschleißschutz" (mechanisch besonders stabil), eine "reine Permanent-Trennschicht" (gut am Werkzeug anhaftend, jedoch anti-adhäsiv bezüglich des zu formenden Materials), oder eine Kombination aus beidem sein.
Eine Modifikation des Herstellungsverfahrens gemäß der 1 und 2 kann darin bestehen, dass durch das thermische Spritzen mehrere Einzelschichten nacheinander aufgebracht werden, die sich in der chemischen Zusammensetzung und/oder der mikroskopischen Struktur voneinander unterscheiden. Hierbei kann insbesondere eine im Hinblick auf die Haftung optimierte unterste Beschichtungslage vorgesehen sein.
Alternativ oder zusätzlich kann zur Verbesserung der Haftung die oben bereits erwähnte Vorbehandlung der Formoberfläche 12' vorgesehen sein, z. B. als eine mechanische Bearbeitung (z. B. Schleifen etc.). Auch ein Strahlprozess, insbesondere ein Sandstrahlen, kommt als mechanische Vorbehandlung in Betracht. Alternativ oder zusätzlich kann die Formoberfläche 12' z. B. mittels eines Lasers strukturiert bzw. aufgeraut werden.
Die Formoberfläche 12' bzw. 12 ist in den Figuren der Einfachheit der Darstellung halber als eine einfach gekrümmte Fläche dargestellt, da die tatsächliche Formgestaltung eine nachrangige Bedeutung besitzt. In der Praxis ist die Formoberfläche 12' bzw. 12 zumeist mehr oder weniger kompliziert, in Anpassung an die gewünschte Bauteilkontur, gestaltet. Sie bildet das "negative Abbild" der gewünschten Kontur der Bauteiloberfläche. Des Weiteren ist hier der Einfachheit der Darstellung halber lediglich ein plattenförmiges Formwerkzeug 10 dargestellt. In der Praxis bildet ein solches Formwerkzeug 10 zumeist eine Werkzeughälfte eines zweiteiligen Formwerkzeugs, bei welchem das imprägnierte Fasermaterial zwischen den beiden Werkzeughälften eingeschlossen und gegebenenfalls unter Druck gesetzt wird (z. B. in einem Autoklaven).
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Korpus des Formwerkzeugs 10 aus einem kostengünstig hergestellten CFK-Faserverbund hergestellt. Wie bei bisher insgesamt z. B. aus einer robusten Eisen-Nickel-Legierung (z. B. "Nickel 36") her gestellten herkömmlichen Formwerkzeugen wird durch die beschriebene Beschichtung des CFK-Faserverbunds eine industrielle Serienproduktion der entsprechenden CFK-Bauteile ermöglicht. Derartige CFK-Bauteile sind z. B. als Strukturbauteile im Flugzeugbau vorteilhaft einsetzbar. Insbesondere für diesen Bereich kann die Formoberfläche 12 des beschriebenen Formwerkzeugs 10 eine Fläche im Bereich von mehreren Quadratmetern besitzen.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
Die 3 bis 6 veranschaulichen ein zweites Ausführungsbeispiel der Herstellung eines aus einem durch Kompaktieren und Aushärten eines Faserverbunds 10a' gebildeten Formwerkzeugs 10a mit einer Verschleißschutzschicht 18a, welche eine Formoberfläche 12a des Werkzeugs 10a ausbildet.
Wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Verschleißschutzschicht 18a durch thermisches Spritzen mittels einer Spritzpistole 14a aufgebaut. Wie es nachfolgend detailliert erläutert wird, erfolgt dieser Aufbau jedoch nicht direkt auf einer Formoberfläche 12a' des Faserverbunds 10a', sondern separat davon. Die Verschleißschutzschicht 18a wird beim Kompaktieren und/oder Aushärten des Faserverbunds 10' "auflaminiert".
Wie es in 3 dargestellt ist, wird bei diesem Herstellungsverfahren zunächst ein "Urmodell" bzw. Urwerkzeug 20a (z. B. aus Aluminium, Stahl oder Polyurethan werkstoff) bereitgestellt, welches eine formgebende Oberfläche 22a besitzt, die mit einer Trennmittelschicht 24a versehen wird, beispielsweise indem ein z. B. flüssiges oder pastöses Trennmittel auf die Oberfläche 22a aufgebracht wird.
Sodann wird mittels der Spritzpistole 14a die Verschleißschutzschicht 18a auf der Oberseite der Trennmittelschicht 24a aufgebaut.
4 zeigt das Ergebnis des thermischen Aufspritzprozesses. An der Oberseite des Urwerkzeugs 20a befindet sich die Trennmittelschicht 24a und darüber die Verschleißschutzschicht 18a. Die Trennmittelschicht 24a sorgt hierbei für eine relativ geringe Haftung der Verschleißschutzschicht 18a am Urwerkzeug 20a.
5 zeigt, wie auf die so präparierte Oberfläche des Urwerkzeugs 20a der Faserverbund 10a' aufgebracht wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierbei ein textiles Halbzeug wie z. B. Kohlenstofffasermatten aufgelegt und anschließend mit einem Harz imprägniert. Wie es durch die Pfeile in 5 symbolisiert ist, wird der Faserverbund 10a' gegen die formgebende Oberfläche des Urmodells 20a gedrückt, somit kompaktiert, und anschließend ausgehärtet (z. B. thermisch). Damit entsteht das Formwerkzeug 10a.
Wenn sodann das Urformwerkzeug 20a wieder geöffnet wird, um das CFK-Laminat 10a' zu entformen, was in 6 veranschaulicht ist, haftet die Verschleißschutzschicht 18a an der Formoberfläche 12a'. Mit anderen Worten wurde die zunächst am Urmodell 20a durch thermisches Spritzen aufgebaute Verschleißschutzschicht 18a während des Formungsprozesses zur Bildung des Formwerkzeugs 10a von der Formoberfläche des Urwerkzeugs auf die Formoberfläche des Werkzeugs transferiert.
Für diese Übertragung der separat durch thermisches Spritzen gebildeten Verschleißschutzschicht 18a ist wesentlich, dass die Adhäsion zwischen dem Material der Verschleißschutzschicht 18a und dem Trennmittel 24a geringer als die Adhäsion zum CFK-Material des Formwerkzeugs 10a (bzw. dessen Harzsystem) ist. Optional kommt wieder eine Nachbearbeitung der Formoberfläche 12a in Betracht.
Zusammenfassend wird mit der Ausführung gemäß der 3 bis 6 ein abformendes bzw. ablaminierendes Verfahren bereitgestellt, bei welchem eine thermisch gespritzte Verschleißschutzschicht von einer "Master-Form" durch Hinterbau mittels eines Laminat-Aufbaus abgeformt wird. Hierbei kann in vielen Fällen gegenüber der direkten Beschichtung (vgl. 1 und 2) eine höhere Haftung der thermisch gespritzten Verschleißschutzschicht zum Verbundwerkstoff des Formwerkzeugs erzielt werden. Es entsteht ein Formwerkzeug mit "integriertem Verschleißschutz".
Als Spritzmaterial 16a können insbesondere Metalle oder Metalllegierungen wie z. B. "Nickel 36" Verwendung finden. Das Urwerkzeug 20a (Master) kann z. B. aus CFK, Stahl, Alu oder Polyurethanwerkstoffen bestehen. Oftmals ist es günstig, die formgebende Oberfläche 22a vor dem Applizieren des Trennmittelsystems aufzurauen bzw. mikroskopisch zu strukturieren (z. B. durch Strahlen oder Lasern).
Eine für die Praxis sicherlich vorteilhafte Eigenschaft der Verschleißschutzschicht 18a ist deren große mechanische Festigkeit bzw. Härte. Unabhängig davon kann für diese "Funktionsschicht" 18a jedoch insbesondere eine anti-adhäsive Wirkung bezüglich des mit dem Formwerkzeug 10a zu formenden Materials (z. B. CFK-Harzsystem) eine große Rolle spielen. Dies gilt ebenso für das Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2.
In dieser Hinsicht ist es oftmals günstig, wenn durch das thermische Spritzen mehrere Schichten eines oder mehrerer Spritzwerkstoffe auf die betreffende Formoberfläche aufgebracht werden, sei es im direkten Beschichtungsverfahren gemäß der 1 und 2 die Formoberfläche 12' oder im indirekten Beschichtungsverfahren die formgebende Oberfläche 22a des Urmodells (gegebenenfalls mit einer Trennmittelschicht versehen). Beispielsweise kann ein zumindest zweischichtiger Auftrag des Zusatzmaterials (z. B. 16 bzw. 16a) erfolgen. Bei einer formwerkzeugseitigen Einzelschicht kann es sich z. B. um eine Schicht mit besonders guten Haftungseigenschaften handeln, wohingegen eine zweite Einzelschicht als spätere Deckschicht am Formwerkzeug eine besondere nti-adhäsive Wirkung für das mit dem Werkzeug zu formende Material (z. B. Matrix-Material bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen) besitzt. Letztere Schicht kann als "Permanent-Trennschicht" vorgesehen sein, welche mehreren Fertigungszyklen widersteht (nicht wieder abgelöst wird).
Wenn das betreffende Formwerkzeug (z. B. 10 oder 10a) zur Fertigung von CFK-Bauteilen vorgesehen ist, so kann eine solche Permanent-Trennschicht beispielsweise Fluorpolymere, partikelförmige Trockenstoffe wie Mo, Graphit, MoS₂, hex-BN etc. umfassen.
Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der 3 bis 6 erfolgt der Hinterbau der thermisch aufgespritzten Verschleißschutzschicht 18a auf das Urwerkzeug 20a mittels Laminiertechnik (z. B. Ablegen mehrerer Faserwerkstofflagen wie "Prepreg-Lagen"). Während des Aushärtezyklus dringt flüssiges Harz ("Tooling Prepreg") in die bevorzugt porös eingestellte Funktionsschicht ein und bildet dort durch mechanische Verankerung mit selbiger einen haftfesten Verbund.
Die Aushärtung des als CFK-Verbund 10a' hergestellten Formwerkzeugs 10a kann z. B. in einem Autoklaven erfolgen, woraufhin sich der ausgehärtete Verbund 10a' samt integrierter Verschleißschutzschicht 18a vom Urwerkzeug trennen lässt.
Gegebenenfalls erfolgt noch eine Nachbearbeitung (Finishing-Prozess) der durch thermisches Spritzen aufgebauten Verschleißschutzschicht 18a.
Die 7 bis 10 veranschaulichen ein drittes Ausführungsbeispiel eines Herstellungsverfahrens.
Wie es oben bereits mit Bezug auf die 3 und 4 für das zweite Ausführungsbeispiel erläutert wurde, so wird auch bei diesem dritten Ausführungsbeispiel zunächst ein Urwerkzeug 20b mit einer Trennmittelschicht 24b (optional) und darauf mit einer Verschleißschutzschicht 18b versehen. Im Unterschied zu dem Aufbau der Verschleißschutzschicht durch thermisches Spritzen (3) wird die Verschleißschutzschicht 18b hier jedoch als vorgefertigtes Blech oder als vorgefertigte Folie auf die Formoberfläche 22b (bzw. Trennmittelschicht 24b) des Urwerkzeugs 20b aufgelegt. Sodann erfolgt, wie in 7 dargestellt, ein thermisches Spritzen von Zusatzmaterial 16b mittels einer Spritzpistole 14b zum Aufbau einer Haftvermittlungsschicht 26b an der Oberfläche des Verschleißschutzblechs bzw. der Verschleißschutzfolie 18b. Alternativ und oftmals zweckmäßig könnte diese Beschichtung auch schon erfolgen bevor das Blech bzw. die Folie 18b auf das Urwerkzeug 20b aufgelegt wird.
Das Ergebnis des thermischen Spritzprozesses ist in 8 dargestellt. An der formgebenden Oberfläche 22b des Urwerkzeugs 20b sind nacheinander die Trennmittelschicht 24b, die Verschleißschutzschicht 18b und die Haftvermittlungsschicht 26b aufgeschichtet. Das thermisch aufgespritzte Material 16b bzw. die verwendeten Spritzparameter wurden hierbei so eingestellt, dass sich eine besonders gute Adhäsion zwischen den Schichten 18b und 26b ergibt.
Wie es in den 9 und 10 dargestellt ist, erfolgt sodann wieder ein Abformungsprozess, bei welchem die Verschleißschutzschicht 18b bei der Bildung des Formwerkzeugs 10b von der Formoberfläche 22b (bzw. 24b) des Urwerkzeugs 20b auf die Formoberfläche 12b' des Formwerkzeugs 10b übertragen wird.
Der Unterschied zwischen dem Abformungsprozess gemäß der 5 und 6 und dem Abformungsprozess gemäß der 9 und 10 besteht (abgesehen von der unterschiedlichen Bereitstellungsmethode der Verschleißschutzschicht) darin, dass bei dem Prozess gemäß der 9 und 10 sich zwischen der Verschleißschutzschicht 18b und dem Faserverbund 10b' die durch thermisches Spritzen aufgebaute Haftvermittlungsschicht 26b befindet, welche für eine besonders gute Haftung der separat gefertigten Verschleißschutzschicht 18b an der Formoberfläche des Formwerkzeugs 10b sorgt. Die gewollt porös eingestellte Spritzschicht 26b dient als Haftvermittler zwischen dem Faserverbundsubstrat 10b' und dem Blech bzw. der Folie 18b und ermöglicht so das sehr gute Anbinden des Faserverbunds (z. B. enthaltend Epoxid-Harz) während der Herstellung des Verbunds durch Eindringen in die Haftvermittlungsschicht 26b.
Zusammenfassend erfolgt bei dem Herstellungsverfahren gemäß der 7 bis 10 das Aufbringen eines Oberflächenschutzsystems durch Einbetten von "Inserts" wie z. B. Kunststoff-Folien (z. B. geätzte PTFE-Folien, temperaturbeständige Fluorpolymer-Folien mit anti-adhäsiven Eigenschaften), Metallfolien (z. B. aus Edelstahl), Metallblechen, Vliesen (z. B. Metallvliese oder Polymervliese) etc. Diese Inserts werden durch gezielte, einseitige Vorbehandlung haftfest in die Werkzeug-Formoberfläche integriert, wobei die Vorbehandlung den Aufbau einer Haftvermittlungsschicht durch thermisches Spritzen umfasst.
Der Verfahrensablauf bei Verwendung einer Metallfolie oder eines Metallblechs als Verschleißschutzschicht bei einem aus einem CFK-Faserverbund gebildeten Formwerkzeug zur Fertigung von CFK-Bauteilen kann zusammenfassend also z. B. wie folgt erfolgen: Zunächst wird die beispielsweise bereits einseitig mittels der thermischen Spritztechnik beschichtete Metallfolie bzw. das Metallblech auf das Urmodell drapiert. Optional besteht die Möglichkeit, die spätere Funktionsoberfläche des Formwerkzeugs mit einer anti-adhäsiven Funktionsschicht auszustatten. Bedingt durch die hohen Einbrenntemperaturen (z. B. größer als 300 °C) einer solchen anti-adhäsiven Schicht ist es zweckmäßig die Applikation derselben vor dem Auftrag der als Haftvermittler wirkenden aufgespritzten Beschichtung und vor dem Einbetten in den CFK-Faserverbund vorzunehmen. Sodann erfolgt der Hinterbau der Metallfolie bzw. des Metallblechs mittels der Laminiertechnik (Tooling Prepreg) auf die gespritzte Haftvermittlungsschicht. Nach erfolgter Aushärtung, beispielsweise in einem Autoklaven, lässt sich der CFK-Faserverbund samt integrierter Folie bzw. dem integrierten Metallblech vom Urmodell trennen. Ein Finishing-Prozess ist zumeist nicht erforderlich.
Bei dem beschriebenen Verfahrensablauf besteht auch die Möglichkeit, Metallfolien z. B. durch Tiefziehen auf komplexere Geometrien der betreffenden Formoberfläche anzuwenden.
Mit den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lassen sich beispielsweise folgende Vorteile erzielen:

– Eine mit Verschleißschutz und/oder anti-adhäsiven Systemen beschichtete Formoberfläche bietet Schutz vor Verletzungen bei notwendigen Reinigungsarbeitenund erleichtert solche Reinigungsarbeiten.
– Durch die Beschichtung mit einem Verschleißschutz, die auch als Versiegelung wirkt, kann der Reinigungsaufwand deutlich reduziert werden, da das "Ausbluten des Formenharzes" vermieden wird und es somit nicht mehr zu einer mechanischen Verankerung mit dem Bauteilharz kommen kann.
– Durch die erzielte Erhöhung der Standzeit eines Formwerkzeugs kann eine beträchtliche Produktivitätssteigerung erreicht werden.
– Bislang übliche Stahl-Formwerkzeuge mit all ihren negativen Eigenschaften können in vielen Bereichen durch kostengünstigere Faserverbund-Werkzeuge ersetzt werden.
– Durch das "abformende Verfahren" ("in-mould-Technik") lassen sich sehr gute Haftfestigkeiten erzielen.
– Ein Oberflächenschutz für einfach konturierte Geometrien der Formoberfläche lässt sich durch die Einbettung von einseitig vorbehandelten Folien oder Blechen sehr gut und mit geringem Aufwand realisieren.
– Durch die Verwendung einer Schichtkombination bestehend aus Verschleißschutz mit inhärenter, anti-adhäsiver Wirkung bzw. Trenneigenschaften kann gegebenenfalls auch auf dem Einsatz von flüssigen Trennmitteln (semipermanent und oftmals umweltschädigend) verzichtet werden. Dies bedeutet zudem eine Kosteneinsparung. Beispielsweise lassen sich fluorpolymerhaltige Materialien in Pulverform in Compoundierung in Spritzpulver, d. h. durch Bildung einer Kombination aus Verschleißschutz mit integrierter anti-adhäsiver Wirkung mit der Spritzpistole verarbeiten.
– Durch die aufgezeigten unterschiedlichen Verfahren zur Integration eines Oberflächenschutzes bzw. Oberflächenschutzsystems an der Formoberfläche im Rahmen der Herstellung eines Formwerkzeugs können für nahezu alle in der Praxis relevanten Formgeometrien Beschichtungslösungen gefunden werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines aus einem Faserverbund (10') gebildeten Formwerkzeugs (10) mit einer Verschleißschutzschicht (18) an einer Formoberfläche des Formwerkzeugs, wobei die Verschleißschutzschicht (18) und/oder eine Haftvermittlungsschicht (26) für die Verschleißschutzschicht (18) durch ein thermisches Spritzen (14) aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Faserverbund (10') aus CFK gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Formwerkzeug (10) zur Fertigung von Faserverbundbauteilen vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Formwerkzeug (10) zur Fertigung von CFK-Bauteilen vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das thermische Spritzen (14) mit einer Metalllegierung (16) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verschleißschutzschicht (18) auf der Oberfläche des Faserverbunds (10') durch thermisches Spritzen (14) aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verschleißschutzschicht (18) zunächst an einer Formoberfläche eines zur Bildung des Formwerkzeugs (10) aus dem Faserverbund (10') vorgesehenen Urwerkzeugs (20) bereitgestellt wird und dann bei der Bildung des Formwerkzeugs (10) von der Formoberfläche des Urwerkzeugs (20) auf die Formoberfläche des Formwerkzeugs (10) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Verschleißschutzschicht (18) als Blech oder Folie auf die Formoberfläche des Urwerkzeugs (20) aufgelegt wird und die Verschleißschutzschicht (18), vor oder nach dem Auflegen, durch thermisches Spritzen (14) mit einer Haftvermittlungsschicht (26) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Verschleißschutzschicht (18) durch thermisches Spritzen (14) auf der Formoberfläche des Urwerkzeugs (20) aufgebaut wird.