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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Bauteilen aus Trockenmaterial
und Faserhalbzeugen die mit Harz vorimprägniert wurden (Prepreg), unter
Vakuumunterstützung und
Temperatur- und
Druckerhöhung
in einem Autoklav, bei dem innerhalb eines Vakuumraums ein gemeinsam
mit ihm evakuierbarer Bauteilraum ausgebildet ist, mit einer Injektionsphase
(a), in der der Vakuumraum evakuiert wird, und einer Härtungsphase (b),
in der außerhalb
des Vakuumraums ein Autoklav-Überdruck
aufgebracht wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses
Verfahrens in einem Autoklav, in dem ein Vakuumraum ausgebildet
ist, der einen Bauteilraum enthält,
der gemeinsam mit dem Vakuumraum durch eine Vakuumpumpe evakuierbar
ist.
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In
der
DE 102 39 325
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen
durch Ausbildung einer Harzmatrix in einem Faserverbundhalbzeug
durch ein Injektionsverfahren beschrieben, bei dem eine ähnliche
Vorrichtung verwendet wird. Sie umfasst einen Injektionsraum, der
zwischen einer Form zur Aufnahme der Faserverbundhalbzeuge und einer
gasdurchlässigen
und harzundurchlässigen
semipermeablen Folie ausgebildet ist, und einen Lüfterraum
zwischen der semipermeablen Folie und einer sowohl gas- als auch
harzundurchlässigen
Folie sowie eine Harzzuleitung und Evakuierungsmittel. Sowohl der
Lüfterraum
als auch der Injektionsraum verfügen über eine
Vakuumleitung, sodass beide Räume
getrennt und regel- und/oder steuerbar evakuierbar sind.
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Die
DE 101 56 123 A1 zeigt
eine Herstellungsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von
faserverstärkten
Kunststoffbauteilen aus einem Prepreg-Halbzeug und einem trocknen
Textil-Halbzeug mit einer Be- und Entlüftungskammer und einer in diese
mündenden
Abzugsleitung zur Herstellung von Unterdruck. Innerhalb der Be-
und Entlüftungskammer
ist darüber
hinaus eine Textil-Halbzeugkammer zur Aufnahme eines trocknen Textil-Halbzeugs angeordnet,
in die eine Injektionsleitung zum Einbringen von Harz mündet. Außerdem ist
eine Prepreg-Kammer zur Aufnahme eines Prepreg-Halbzeugs vorgesehen,
wobei die Prepreg-Kammer luftdurchlässig und die Textil-Halbzeugkammer mittels einer
Membran zumindest bereichsweise luftundurchlässig und harzdurchlässig an
der Be- und Entlüftungskammer
gelegen ist, wobei ein Unterdruck in der Be- und Entlüftungskammer
durch die luftdurchlässigen
Membranen einen Unterdruck sowohl in der Prepreg-Kammer als auch
in der Textil-Halbzeugkammer bewirkt.
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In
der
DE 10 2005
003 713 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlkörperkern-Sandwichbauteilen
im vakuumunterstützen Harz-Infusionsprozess
beschrieben. Es umfasst die folgenden Schritte: a) Herstellen eines
Sandwich-Rohlings mit einem Hohlkörper-Sandwichkern, einer trocknen
Verstärkungsfaser-Decklage
sowie einer zwischen dem Hohlkörper-Sandwichkern
und der Verstärkungsfaser-Decklage
angeordneten, harzdichten thermisch aushärtbaren druck- und formbeständigen Trenn-/Verbindungsfolie
(TV-Folie), welche ein erstes thermisch aushärtbares Harz H1 mit einer Aushärtetemperatur
T1 umfasst; b) Anordnen des Sandwich-Rohlings in einem ersten Formkörper; c)
Abdecken des Sandwich-Rohlings mit einem zweiten Formkörper; d)
Verschließen
des ersten und zweiten Formkörpers
zur Bildung eines evakuierbaren Injektionsraumes; e) Evakuieren
des Injektionsraumes; f) Injizieren eines zweiten thermisch aushärtbaren
fließ-
und/oder spritzfähigen
Harzes H2, welches eine Aushärtetemperatur
T2 < T1 besitzt,
in die Decklage und auf die Harzdichte TV-Folie und Tränken der Decklage mit dem zweiten
Harz H2; g) thermisches Aushärten
des zweiten Harzes H2 zur Bildung einer faserverstärkten Decklage;
h) thermisches Aushärten
des ersten Harzes H1 und damit Verbinden des Hohlkörper-Sandwichkerns
mit der Decklage mittels der TV-Folie.
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Neben
der Infiltrationstechnologie zur Herstellung von CFK-Verbundwerkstoffen,
also der Injektion von Harz unter Überdruck, also auch der Infusion des
Harzes mittels Unterdruck, ist die Prepreg-Technologie bekannt.
Die Bauteile, die mit diesen beiden Verfahren hergestellt werden,
bieten jeweils charakteristische Vorteile. Um die jeweiligen Vorteile
in einem einzigen Bauteil kombinieren zu können, wurden eine Kombination
aus beiden Herstellungsverfahren und eine entsprechende Vorrichtung
dafür entwickelt.
In der Veröffentlichung „Kombination
von Prepreg- und Injektionstechnologie zur Herstellung von CFK-Verbundwerkstoffen” (R. Kaps,
P. Schumann, S. Steeger, Institut für Faserverbundleichtbau und
Adaptronik, DIR Braunschweig, 2006) werden ein kombiniertes Verfahren
und dessen Erzeugnis vorgestellt. Es stellt eine Kombination aus
dem Prepreg- und der so genannten „Liquid-Resin-Injektion (LRI)”-Technologie
dar. Bei der Fertigung mittels des LRI-Verfahrens werden Faserverbundwerkstoffe durch
Injektion von flüssigen
Matrixwerkstoffen in vorgeformtes, trockenes Fasermaterial und anschließendes Aushärten hergestellt.
Ein mittels Hybridtechnologie aus beiden Fertigungsverfahren gefertigtes
Bauteil besteht also aus einem vorimprägnierten (Prepreg) und einem
zu injizierenden Bereich, wobei das Injektionsharz von außen durch
eine Versiegelung des Bauteils zugeführt wird.
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Eine
derartige Versiegelung kann in einer semipermeablen Folie bestehen,
insbesondere, wenn das Harz durch Unterdruck in das Bauteil eingebracht werden
soll. Damit lässt
sich das Bauteil evakuieren, ohne dass mit dem Absaugen der Luft
auch Harz aus dem Bauteil abgezogen würde. Versuche haben jedoch
ergeben, dass die semipermeable Folie beim anschließenden Beaufschlagen
des Bauteils mit Druck zum Aushärten
des Harzes im Prepreg den auftretenden Belastungen nicht standhält und bereits bei
ca. 1,5 bar Absolutdruck reißt.
Wünschenswert für eine erfolgreiche
Aushärtung
wäre jedoch
mindestens der doppelte Druck. Bei beschädigter Folie kann es zu Harzaustritt,
damit zu verminderter Bauteilqualität und zur Beschädigung der
Vakuumpumpe kommen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
anzugeben, mit denen gleichwohl eine Kombination aus dem überdruckbeaufschlagten
Prepreg-Verfahren und einem Infusionsverfahren möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass
bei Aufbau des Überdrucks
in der Härtungsphase
der Bauteilraum im Wesentlichen gasdicht verschlossen wird. Die
Erfindung verfolgt also das Prinzip, während der Härtungsphase unter Druck im
Wesentlichen keinen Vakuumdruck mehr auf das Bauteil wirken zu lassen. Tatsächlich müssen sich
keine scharf voneinander abgrenzbaren Phasen ergeben, in denen der
Vakuumdruck einerseits und der Überdruck
andererseits wirken. Vielmehr können
sich zeitlich quasi überlappende
Bereiche ergeben, sodass beide Druckzustände zumindest vorübergehend
auch zeitgleich wirken können.
Jedenfalls aber erübrigt
das Verfahren den Einsatz einer semipermeablen Schicht, die den
gewöhnlichen
Druckverhältnissen
für die
Aushärtung eines
Prepregs nicht standhält.
Damit bietet die Erfindung ein Verfahren, das eine zuverlässige Kombination
des Prepreg-Verfahrens
einerseits und des Infusionsverfahrens andererseits ermöglicht.
Es ist sowohl für
alle Arten von Faserelementen, seien es Gewebe, Gelege, Geflechte
oder Vliese bzw. Wirrfasermatten, als auch für Ein- bzw. Zwei-Komponentensysteme
als Harz geeignet.
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Der
Bauteilraum kann zu Beginn oder während der Härtungsphase beispielsweise
mechanisch durch den Eingriff eines Bedieners verschlossen werden.
Da sich der Bauteilraum innerhalb eines druckbeaufschlagten und
beheizten Autoklaven befindet, kann eine manuelle Schließung also
nur über
geeignete mechanische Vorrichtungen zur Bedienung von außerhalb
des druck- und temperaturbeaufschlagten Raumes erfolgen. Nach einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens wird der
Bauteilraum infolge des Aufbaus des Überdrucks selbsttätig geschlossen.
Das Verschließen
des Bauteilraums läuft
also automatisch ab, woraus sich eine geringere Fehleranfälligkeit
und daher ein robusteres Fertigungsverfahren ergeben. Die Automatisierung dieses
Verfahrensabschnitts führt
außerdem
zu einer Vereinfachung der Qualitätssicherung, weil das Verschließen des
Bauteilraums nicht separat überprüft werden
muss.
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Die
in der Erfindung genannte Aufgabe wird mit der eingangs genannten
Vorrichtung dadurch gelöst,
dass ein Vakuumraum ausgebildet ist, der einen Bauteilraum enthält, der
durch eine Vakuumpumpe gemeinsam mit dem Vakuumraum evakuierbar
ist, wobei der Bauteilraum gegenüber
dem Vakuumraum durch Mittel abgetrennt ist, die bei Anlegen eines
Autoklav-Überdrucks
verschließbar
sind. Durch die zeitliche Festlegung und gegebenenfalls Trennung
einer Phase, in der Vakuumdruck wirkt, und einer solchen, in der
der Überdruck
angelegt ist, kann auf die Anordnung einer semipermeablen Membran,
die üblicherweise
im so genannten VAP-Verfahren verwendet wird, verzichtet werden.
Der Verzicht auf die semipermeable Membran ermöglicht das Aufbringen entsprechend
hoher Drücke,
sodass auch die Prepreg-Aushärtung
in der gewünschten
Qualität
erfolgen kann.
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Die
Mittel, die den Bauteilraum vom Vakuumraum trennen, können beispielsweise
in einem separaten Bedienungsschritt zu Beginn oder während der Härtungsphase
betätigt
werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind
die Mittel jedoch druckabhängig
selbsttätig
verschließbar
ausgebildet. Dies erübrigt
einen separaten Bedienungsschritt, der den Aufbau und das Verfahren
verkompliziert, aufwendig und damit teurer und schließlich fehleranfälliger macht.
Ein selbsttätiges
Verschließen
der Mittel vereinfacht also die Sicherstellung der gewünschten Qualität des hergestellten
Produkts.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfinderischen Vorrichtung
umfasst das Mittel ein Ventil, das bei Anliegen eines Unterdrucks gasdurchgängig ist
und bei Anliegen eines Überdrucks
gasdicht schließt.
Ein derartiges Ventil kann prinzipiell in unterschiedlicher Weise
ausgebildet sein, zum Beispiel als herkömmliches Ventil mit einem Ventilkörper, der
in der Sperrrichtung gasdicht auf einen Ventilsitz gedrückt wird.
Aber auch andere gängige
Aufbauprinzipien für
Ventile sind vorstellbar, solange sie eine Durchgängigkeit
für den
Unterdruck ermöglichen
und bei Überdruck
verschließen.
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Das
aushärtende
Harzsystem kann jedoch das Ventil, das sich im Innenraum des temperaturbeaufschlagten
Autoklav befindet, verstopfen. Das Ventil kann daher nach einem
Härtevorgang
aufwendig zu reinigen sein oder unbrauchbar werden. Nach einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die
Mittel daher eine räumliche,
unter Autoklav-Überdruck
komprimierbare Struktur umfassen. Sie können also zum Beispiel einen
offenporigen Schaumstoff, ein Vlies oder ein Gewebe aufweisen, der
bzw. das unter dem Autoklav-Überdruck
vollständig
zusammendrückbar und
daraufhin zumindest nahezu gasdicht ist. Während die räumliche Struktur bei Unterdruck
eine Passage für
Gase darstellt, wird diese Passage bei Anliegen eines Überdrucks
im Wesentlichen geschlossen. Die Mittel, also der Schaumstoff oder
ein räumliches Gewebe
oder Gewirke, können
sich in die gasdichte lineare Abdichtung des Bauteilraums gegenüber dem Vakuumraum
am Rand des Bauteilraums leicht integrieren. Als Bestandteil der
Abdichtung verlaufen sie in Umfangsrichtung des Bauteilraums und
sind durch ihre Breite einfach zu dimensionieren. Weil sie eine größere Breitenerstreckung
aufweisen können
als ein an einem konkreten Ort angeordnetes Ventil, konzentrieren
sie das abgesaugte Gas räumlich
weniger, bewirken also eine geringere Durchflussgeschwindigkeit
des abgesaugten Gases. Damit können
sie auch die Gefahr reduzieren, mit abgesaugtem Harz verstopft zu
werden. Um diese Gefahr weiter zu mindern, können die Mittel zudem mehrfach
am Umfang des Bauteilraums angeordnet sein.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen
die Mittel eine mit einer Fließhilfe
als gasdurchgängige
Passage gekoppelte Dichtschnur. Das plastisch verformbare Material
der Dichtschnur lässt
sich unter Überdruck
in die räumliche
Struktur der Fließhilfe
eindrücken
und dichtet damit den unter Unterdruck freigegebenen Vakuumkanal
zuverlässig
und irreversibel ab. Die Dichtschnur kann auch mit einem komprimierbaren
räumlichen Gewebe
oder Gewirke kombiniert sein und die Dichtwirkung infolge der Kompression
der räumlichen Struktur
unterstützen.
Damit lässt
sich ein vakuumdurchgängiges
und überdrucksperrendes
Mittel auf einfache Weise aus bekannten Hilfsstoffen herstellen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfinderischen Vorrichtung
ist der Bauteilraum durch eine druckdichte und perforierte Folie
gebildet, die durch eine mit einer Fließhilfe gekoppelte Dichtschnur
vom Vakuumraum druckdicht abtrennbar ist. Damit steht ein flexibler
Bauteilraum zur Verfügung,
der einerseits die Evakuierung des herzustellenden Bauteils unterstützt und
andererseits die Druckbelastungen während der Aushärtungsphase schadlos übersteht.
Damit trägt
er entscheidend zur Qualität
des herzustellenden Bauteils bei.
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Das
Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber
noch näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1:
einen schematischen Fertigungsaufbau,
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2:
einen Zyklusverlauf bei der Herstellung.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung durch einen Fertigungsaufbau zur Durchführung des
erfinderischen Verfahrens. Auf einem Autoklaventisch 1 sind ein
Prepreg 3 und ein CFK-Gelege 5 übereinander gestapelt.
Zur Vereinfachung der Darstellung sind sie als ebenflächige Gebilde
dargestellt, sie könnten aber
auch komplexere, zum Beispiel räumliche Strukturen
aufweisen. Über
und unter ihnen ist jeweils eine Lage Abreißgewebe 7 angeordnet. Über dem
Abreißgewebe 7 liegt
eine gelochte Trennfolie 9, die wiederum von einer flächigen Fließhilfe 11 abgedeckt
ist. Sie besteht aus einem Gewebe oder Gewirke mit einer räumlichen
Struktur, so dass sie in ihrer Ersteckungsebene von Flüssigkeiten
und Gasen durchströmt
werden kann. Diesen Schichtaufbau 13 bedeckt eine Formplatte 15 nahezu
vollflächig.
Neben dem Schichtaufbau 13 ruht ein Angussprofil 17 auf
der Fließhilfe 11,
die seitlich am Schichtaufbau 13 herabgeführt ist
und eine Unterlage des Angussprofils 17 bildet. Der Schichtaufbau 13 und
das Angussprofil 17 sind in einem Bauteilraum 19 angeordnet. Er
wird von einer nicht perforierten Trennfolie 21 gebildet,
die den Schichtaufbau 13 samt Angussprofil 17 umgibt
und auf dem Autoklaventisch 1 aufliegt. An ihrem Kontaktbereich 29 zum
Autoklaventisch 1 ist sie mit einer Dichtschnur 23 gas-
und druckdicht abgedichtet. In einem Auslassbereich 25 ist
zwischen der Dichtschnur 23 und der Trennfolie 21 ein
Abschnitt einer Fließhilfe 27 eingefügt, die
zumindest die gleichen geometrischen Eigenschaften wie die Fließhilfe 11 aufweist.
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Der
gesamte Bauteilraum 19 unter der Trennfolie 21 ist
umgeben von einer Vakuumfolie 31, die die Trennfolie 21 und
deren Auslassbereich 25 sowie deren Kontaktbereich 29 mit
dem Autoklaventisch 1 vollständig überspannt. Sie ist ihrerseits
mit einer Dichtschnur 23 gegenüber dem Autoklaventisch 1 druck-
und gasdicht verbunden. Sie verfügt über einen
Vakuumanschluss 33, der mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe
verbunden ist. Zwischen der Vakuumfolie 31 und der Trennfolie 21,
also in einem Vakuumraum 35, ist schließlich ein Bleeder 37 angeordnet.
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Das
Prepreg 3 und das CFK-Gelege 5 werden über das
Angussprofil 17 mit einem Harz, zum Beispiel einem RTM-Harz,
infundiert. Die Fließhilfe 11 über dem
Schichtaufbau 13 sorgt dafür, dass sich das infundierte
Harz ausgehend vom Angussprofil 17 über den gesamten Schichtaufbau 13 möglichst gleichmäßig verteilen
und weitgehend gleichmäßig in den
Schichtaufbau 13 eindringen kann. Damit das zukünftige ausgehärtete Bauteil
vom Autoklaventisch 1 abgenommen werden kann, ist das untenliegende Prepreg 3 durch
ein Abreißgewebe 7 vom
Autoklaventisch 1 getrennt. Aus dem gleichen Grund ist
das obenliegende CFK-Gelege 5 vom
einem ebensolchen Abreißgewebe 7 gegenüber den
darüber
angeordneten Schichten abgedeckt. Darauf liegt die gelochte Trennfolie 9,
die überschüssiges Harz
aufnimmt und ggf. ableitet. Die auf der Fließhilfe 11 abgelegte
Formplatte 15 dient der Fixierung des Schichtaufbaus 13 und
der Vergleichmäßigung des infundierten
Harzes.
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In
einem ersten Verfahrensschritt, der Infiltrationsphase, werden der
Vakuumraum 35 und mit ihm der Bauteilraum 19 evakuiert.
Der Bleeder 37 sorgt für
eine gleichmäßige Verteilung
des Vakuumdrucks zwischen der flexiblen Vakuumfolie 31 und der
ebenfalls flexiblen Trennfolie 21. Da die Trennfolie 21 gasdicht
ist, bildet die Fließhilfe 27 zwischen der
Dichtschnur 23 und der Trennfolie 21 im Auslassbereich 25 einen
Vakuumkanal 39 aus dem Bauteilraum 19. Er sorgt
dafür,
dass das Vakuum trotz der sonst im Übrigen druckdichten Abdichtung
des Bauteilraums 19 gegenüber dem Autoklaventisch auch unter
der Trennfolie 21 wirken und der Bauteilraum 19 ebenfalls
evakuiert werden kann. Das Vakuum zieht einerseits das Harz in die
Schichten des Schichtaufbaus 13 und saugt andererseits
das vom Harz verdrängte
Luftvolumen in den Schichten ab. Außerdem entzieht es dem Harz
dessen bei Unterdruck entstehende Ausgasungen. Damit kann eine weitgehend
porenarme und lunkerfreie Aushärtung des
Harzes erzielt werden.
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Der
Vakuumkanal 39 am Bauteilraum 19 und der Vakuumanschluss 33 an
der Vakuumfolie 31 sind räumlich möglichst weit von einander entfernt
angeordnet. Dadurch entsteht ein möglichst langer Fließweg, um
die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass Harz aus dem Bauteilraum über den
Vakuumraum in die Vakuumpumpe gezogen wird und dort zu Beschädigungen
führt.
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Zur
Aushärtung
des Infusionsharzes und des im Prepreg enthaltenen Harzes wird der
dargestellte Aufbau in einem zweiten Verfahrensschritt, der Härtephase,
sowohl mit einer erhöhten
Temperatur als auch einem erhöhten
Druck beaufschlagt. Zumindest zu Beginn der Härtephase bleibt der Vakuumdruck noch
aufrechterhalten. Noch nicht ausgehärtetes Infusionsharz unterliegt
unter Druck der unerwünschten
Neigung, aus dem Schichtaufbau 13 ausgetrieben und der
Vakuumwirkung folgend in Richtung der Vakuumpumpe gezogen zu werden.
Um dies zu verhindern, wird nicht etwa ab Aufbringen des Überdrucks
die Vakuumpumpe abgeschaltet. Denn damit könnte auch die gewünschte Stützwirkung
der durch den Unterdruck um den Schichtaufbau 13 geschmiegten Trennfolie 21 und
Vakuumfolie 31 verloren gehen. Vielmehr drückt der
aufgebrachte Überdruck
die Dichtschnur 23 im Auslassbereich 25 in die Fließhilfe 27 hinein
und dichtet so den Vakuumkanal 39 selbsttätig ab.
Mit Aufbringen des Überdrucks
wird der Vakuumkanal ohne weitere Einwirkungen von außen sukzessive
verschlossen, indem sich das plastisch verformbare Material der
Dichtschnur 23 in die räumliche
Struktur der Fließhilfe 27 einpresst.
Zusammen mit einer leichten Kompressibilität der Fließhilfe 27 entsteht
so eine druckdichte Abdichtung des Vakuumkanals 39, aus
dem daraufhin kein Harz austreten kann.
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Der
in 1 dargestellte Fertigungsaufbau wird zur Aushärtung des
infiltrierten Schichtaufbaus 13 in einen Autoklav gefahren,
in dem eine gewünschte
und erforderliche Druck- und Temperatursteuerung vorgenommen werden
kann. Einen Zyklusverlauf während
eines typischen Herstellungsverfahrens in einem Autoklav zeigt das
Diagramm in 2. Darin ist auf der linken
Ordinate die Temperatur, auf der rechten der Druck und auf der Abszisse der
Zeitverlauf angegeben. Die Kurve 50 stellt den Verlauf
des Vakuumdrucks dar, die Kurve 52 den Temperaturverlauf
und die Kurve 54 den Autoklavendruck.
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Zu
Beginn des Herstellungsverfahrens liegt in einer ersten Phase A
ein Vakuumdruck von ca. 500 Millibar Absolutdruck an. Gleichzeitig
wird in der Phase A die Temperatur auf 80 Grad erhöht. Diese
Temperatur ist materialabhängig
und orientiert sich an einem Grenzwert des Harzes im Prepreg, ab
dem das Harz auszuhärten
beginnt. Da die Aushärtung
erst zu einem späteren
Zeitpunkt nach der Infusion des Harzes erfolgen soll, bleibt der
Zielwert der Temperatur in der Phase A unter diesem Temperaturgrenzwert.
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In
einer anschließenden
Phase B werden Vakuum und Temperatur für eine Zeitspanne von beispielsweise
ca. 60 Minuten beibehalten. Diese Zeitspanne ist abhängig vom
verwendeten Harz und kann eine Spanne von 0 bis beispielsweise 120
Minuten dauern. Damit werden der Vakuumraum 35 und mit
ihm der Bauteilraum 19 weitgehend evakuiert. Die Dauer
der Phase B dient einer Stabilisierung der Verhältnisse innerhalb des Fertigungsaufbaus.
Die vorhandenen Luftvolumina werden weitgehend abgebaut. Außerdem sondert
das Harz aus dem Prepregmaterial 3 unter Temperatur und
Unterdruck leicht flüchtige
gasförmige
Bestandteile ab, die ebenfalls abgesaugt werden, um Porenbildung
zu reduzieren. Ein Teil des sich verflüssigenden Harzes im Prepregmaterial 3 wandert
bereits jetzt in das Trockenmaterial 5 und sorgt so für einen
zukünftigen
Verbund zwischen den beiden Materialien.
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in
einer anschließenden Übergangsphase
C erfolgt ein Temperaturanstieg von 80° Celsius auf ca. 100° Celsius
bei einem gleich bleibenden Vakuumdruck von 500 Millibar Absolutdruck.
Damit werden die Bedingungen der nachfolgenden Phase erreicht. Der
Temperaturwert von 100° Celsius
ist bauteil- und harzabhängig
und ergibt sich als Mittelwert zwischen einer ausreichenden Viskosität des infundierten RTM-Harzes
einerseits und einer Aushärtetemperatur
für das
im Prepreg enthaltene Harz andererseits. Das Infusionsharz muss
ausreichend viskos sein, um den Schichtaufbau 13 vollständig durchdringen
zu können.
Dafür ist
eine höhere
Temperatur wünschenswert.
Bei diesen Temperaturen kann aber das Harz des Prepregs bereits
beginnen auszuhärten, womit
sich der Verbund zwischen dem infundierten Harz und dem Prepreg
verschlechtern kann. Dafür
ist also eine niedrigere Temperatur erstrebenswert. Die Zieltemperatur
der Phase C ist also als Kompromiss zwischen diesen beiden widerstreitenden
Forderungen zu wählen
und ist insbesondere von den Eigenschaften der jeweils verwendeten
Harze abhängig.
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Die
anschließende
Phase D stellt eine Infusionsphase dar, in der Infusionsharz vakuumgetrieben in
den Bauteilraum 19 infundiert wird. Die Infusionsphase
D kann ca. 15 bis 20 Minuten dauern und hängt unter anderem ab von der
Menge des zu infundierenden Harzes, dessen Viskosität und von
den Abmessungen und der Form des Bauteils. Die Erhöhung der
Temperatur auf 100 Grad dient unter anderem der Viskosität des injizierten
Gemisches, die bei diesem Temperaturbereich besonders niedrig ist, ohne
dass bereits die Aushärtereaktionen
beginnen.
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Die
Verteilung des Injektionsguts innerhalb des Bauteilraums 19 unterstützt die
Fließhilfe 11,
die sich sowohl auf dem Schichtaufbau 13 als auch unter dem
Angussprofil 17 befindet. Auf dem Schichtaufbau 13 sorgt
sie für
eine möglichst
gleichmäßige Verteilung
des Infusionsguts, das daraufhin in das CFK-Gelege 5 und
das Prepreg 3 eindringt. Dieser Vorgang wird unterstützt durch
die Anlage des Vakuums, das das Infusionsgut quasi in den Schichtaufbau 13 hineinsaugt.
Um ein Deformieren des Schichtaufbaus während der Infusion unter der
Anlage des Vakuums zu vermeiden, wird er von der Formplatte 15 abgedeckt.
Sie sorgt zusätzlich
für eine
Vergleichmäßigung und
Verteilung des Infusionsguts über
der gesamten Fläche
des Schichtaufbaus 13.
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An
die Infusionsphase D schließt
sich eine Verteilphase E an, die etwa 15 Minuten dauern kann. Sie
bietet dem Infusionsgut die Möglichkeit,
sich innerhalb des Bauteilraums 19 möglichst gleichmäßig zu verteilen,
also den Schichtaufbau vollständig
zu durchdringen. Ihre Dauer orientiert sich an dem Fortschreiten
der Harzfront im Schichtaufbau 13, bis sie ihn vollständig durchlaufen
hat. Während
der Verteilphase, in der die Temperatur bei 100 Grad beibehalten
wird, wird der Vakuumdruck auf ca. 200 Millibar Absolutdruck abgesenkt
und gehalten.
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In
einer anschließenden Übergangsphase
F wird bei gleich bleibendem Vakuumdruck von 200 Millibar Absolutdruck
die Temperatur von 100 Grad auf etwa 180 Grad angehoben. Zugleich
wird ein Autoklavenüberdruck
von etwa 4 bar Absolutdruck angelegt. Dabei schließt sich
selbsttätig
der Vakuumkanal 39, um ein eventuelles Austreiben von Harz
aus dem Schichtaufbau 13 unter Druck zu vermeiden.
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Damit
sind die Voraussetzungen für
die anschließende
Härtephase
G geschaffen. Sie dauert ca. 120 Minuten und bietet mit dem Druck
von 4 bar Absolutdruck und einer Temperatur von 180 Grad günstige Voraussetzungen
für die
vollständige
Aushärtung
des infundierten Harzes und dessen Verbindung mit dem Prepreg. Während die
Temperatur für eine
möglichst
vollständige
Reaktion des Harzes sorgt, führt
der Druck von 4 bar zu seiner porenarmen und lunkerfreien Aushärtung.
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Der
Autoklavenabsolutdruck von 4 bar wirkt auf den Vakuumraum 35 genauso
wie auf den Bauteilraum 19. Insbesondere zu Beginn des
Anlegens des Autoklavendrucks in der Übergangsphase F, in der das
Injektionsgut noch eine relativ hohe Viskosität aufweist, besteht die Gefahr,
dass der Autoklavendruck das Harz aus dem Schichtaufbau 13 auspresst. Über den
Vakuumkanal 39 könnte
er in den Vakuumraum 35 und von dort über den Vakuumanschluss 33 in
die nicht dargestellte Vakuumpumpe gelangen. Um einerseits die Beschädigung der
Vakuumpumpe infolge eines Harzaustritts und andererseits den Verlust von
Infusionsgut im Schichtaufbau zu vermeiden, soll der Harzaustritt
verhindert werden. Dies geschieht dadurch, dass bei Anlegen des
Autoklavendrucks der Vakuumkanal 39 selbsttätig geschlossen
wird. Dazu wird der Autoklavendruck selbst genutzt, indem er die Fließhilfe zwischen
der Trennfolie 21 und der Dichtschnur 23 zusammenpresst.
Dabei drückt
er die flexible Dichtschnur 23 in die Fließhilfe 27 hinein,
wodurch der Vakuumkanal 39 druckdicht verschlossen wird.
Der Autoklavendruck selbst sorgt also für einen Verschluss des Vakuumkanals 39,
sodass kein separater Bedienungsschritt von außerhalb erforderlich ist. Er
würde den
Fertigungsaufbau nur verkomplizieren. Die Kombination der Dichtschnur 23 und
der Fließhilfe 27 im
Auslassbereich 25 zwischen der Trennfolie 21 und
dem Autoklaventisch 1 wirkt also quasi wie ein Ventil,
das unter dem Vakuumdruck, also bei Unterdruck, gasdurchlässig bzw.
geöffnet
ist, das jedoch bei Anlegen eines Überdrucks, der größer als
1 bar ist, selbsttätig
verschließt.
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An
die Härtephase
G schließt
sich eine Endphase H an, in der bei gleich bleibenden Druckverhältnissen
die Temperatur von 180 Grad auf Raumtemperatur zurückgefahren
wird. An sie kann sich bei Bedarf eine Temperphase anschließen.
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- 1
- Autoklaventisch
- 3
- Prepreg
- 5
- CFK-Gelege
- 7
- Abreißgewebe
- 9
- gelochte
Trennfolie
- 11
- Fließhilfe
- 13
- Schichtaufbau
- 15
- Formplatte
- 17
- Angussprofil
- 19
- Bauteilraum
- 21
- Trennfolie
- 23
- Dichtschnur
- 25
- Auslassbereich
- 27
- Fließhilfe-Abschnitt
- 29
- Kontaktbereich
- 31
- Vakuumfolie
- 33
- Vakuumanschluss
- 35
- Vakuumraum
- 37
- Bleeder
- 39
- Vakuumkanal
- 50
- Vakuumkurve
- 52
- Temperaturkurve
- 54
- Autoklavendruckkurve
- A
- Anfangsphase
- B
- Vakuumphase
- C
- Übergangsphase
- D
- Injektionsphase
- E
- Verteilphase
- F
- Übergangsphase
- G
- Härtephase
- H
- Endphase