DE102008034203A1

DE102008034203A1 - Herstellung von Faserverbundbauteilen mit Formkernen

Info

Publication number: DE102008034203A1
Application number: DE102008034203A
Authority: DE
Inventors: Tom Kretschmer; Steffen Kunze; Christian Wellhausen
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2008-07-21
Filing date: 2008-07-21
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: DE102008034203B4; US20100015435A1; FR2933892B1; FR2933892A1; US8641952B2; IT1394905B1; ITTO20090549A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (23) aus faserverstärktem Kunststoff insbesondere mithilfe eines löslichen Formkerns (10), mit den folgenden Schritten: a) Herstellung des Formkerns (10), b) Ummanteln des Formkerns (10) mit einer harzfesten Hülle (14), c) Aufbringen von Faserhalbzeug (16) und Einbringen von Harz zur Erstellung des Kunststoffbauteils (23), d) Aushärten des Kunststoffbauteils (23) unter Temperatureinwirkung, wird dadurch weitergebildet, dass jedenfalls beim Aushärten in Schritt d) am Faserhalbzeug (16, 20) im Wesentlichen ein Druckgleichgewicht zwischen dem Umgebungsdruck (pu) und dem Kerninnendruck (pk) hergestellt wird. Es wird außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff insbesondere mit Hilfe eines umhüllten Formkerns, bei dem während des Fertigungsverfahrens aufgrund der Erhöhung der Temperatur im Formkern ein Innendruck entsteht, mit den folgenden Schritten:

a) Herstellung eines Formkerns,
b) Ummanteln des Formkerns mit einer harzfesten Hülle,
c) Aufbringen von Faserhalbzeug und Einbringen von Harz zur Erstellung des Kunststoffbauteils, und
d) Aushärten des Kunststoffbauteils unter Temperatureinwirkung.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff mit einem umhüllten festen oder löslichen Formkern zur Durchführung des Verfahrens.
Formkerne aus einer Formmasse und ggf. einer ihn umgebenden Hülle werden in der Regel bei der Herstellung von faserverstärkten Hohlbauteilen bzw. Faserverbundwerkstoff-Bauteilen (FVW-Bauteilen) verwendet, um während der Herstellung einen Innenraum des Hohlbauteils auszufüllen. Sie dienen außerdem als Innenwerkzeug für das Faserhalbzeug bzw. textile Halbzeug, worunter in dieser Anmeldung auch Prepreg subsumiert wird, bzw. für das ausgehärtete Laminat.
Die Herstellung eines wasserlöslichen Formkerns ist zum Beispiel in der DE 10 2005 011 930 B3 beschrieben. Demnach wird aus einer wasserlöslichen Formmasse ein Formkern hergestellt, der anschließend mit einer Vakuumfolie umgeben wird. Die Vakuumfolie ist wasserfest und verhindert ein Eindringen von Harz in den Kern. Anderenfalls ließe sich das zukünftige Kunststoffbauteil schlecht vom Kern lösen bzw. seine dem Kern zugewandte Innenseite erhielte eine unerwünscht unregelmäßige Oberfläche. Der lösliche Formkern wird dazu mit einem Faserhalbzeug und einem Harz als Matrixwerkstoff umhüllt und das Harz anschließend unter Temperatureinwirkung ausgehärtet. Als Faserhalbzeug kann auch mit Harz bereits vorimprägniertes Faserhalbzeug, also Prepreg-Material verwendet werden. Der Formkern als Innenwerkzeug wird zusammen mit einem einseitigen oder zweiseitigen Außenwerkzeug, zum Beispiel einer festen Form oder einer Vakuumfolie mittels Vakuuminfusion, RTM-Verfahren oder sonstigen bekannten Herstellungsverfahren verarbeitet. Auch das Aufbringen des Harzes und des Faserhalbzeugs ist von untergeordneter Bedeutung. Es kann von Hand oder maschinell in einem Formwerkzeug erfolgen.
Das Aushärten des Harzes geschieht in aller Regel unter Temperaturerhöhung. Dazu wird der Fertigungsaufbau erwärmt, um den Härteparametern des verwendeten Harzsystems zu entsprechen. Ist der Formkern fertigungsgerecht versiegelt, nämlich mit einer harzfesten Hülle gegen das Eindringen von Harz in den Kern ummantelt, so erhöht sich der Innendruck des Formkerns beim Erwärmen des Fertigungsaufbaus. Denn im Formkern verbliebenes Medium, insbesondere Luft, dehnt sich unter der Erwärmung beim Aushärtevorgang aus.
Durch die Erhöhung des Kerninnendrucks können jedoch die Bauteileigenschaften und die des Faserhalbzeugs ungünstig beeinflusst werden. Ist die Umhüllung des Kerns gasdicht, kann sich die Umhüllung aufblähen und das Faserhalbzeug verformen. Das zukünftige Bauteil erhält dadurch unerwünschte Maßabweichungen. Außerdem können sich der Faservolumengehalt und die Permeabilität des noch trockenen Faserhalbzeugs ändern, wenn der Formkern bereits bei der Einstellung der Infusionstemperatur expandiert und die Lagen des Faserhalbzeugs unerwünscht stark komprimiert. Dadurch können sogar trockene Stellen im Faserhalbzeug bzw. Laminat entstehen, wenn partiell kein oder nicht ausreichend Harz in fundiert wird. Ohne dem entgegen zu wirken, ist eine adäquate Fertigung von Faserverbundbauteilen nach heutigem Stand der Technik im Vakuuminfusionsverfahren, zum Beispiel dem VAP-, MVI-, SCRIMP- oder VARI-Verfahren, nicht möglich. Außerdem kann durch die Erhöhung des Innendrucks die Versiegelung beschädigt werden. Dadurch kann Medium aus dem Kern in das Faserhalbzeug eindringen, womit das Faserhalbzeug kontaminiert werden kann. Umgekehrt kann Material aus dem Faserhalbzeug in den Kern gelangen und das Auslösen des Kernmaterials erschweren.
In der DE 10 342 867 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines wasserlöslichen Formkerns beschrieben, der mit einer semipermeablen Kernversiegelung umgeben ist. Die Versieglung ist durchgängig für Gase, nicht jedoch für Flüssigkeiten. Kommt es im Herstellungsverfahren nach der Tränkung der Faserhalbzeuge mit Harz zu einer weiteren Druckerhöhung im Kern, beispielsweise durch Erwärmung des Fertigungsaufbaus auf eine Härtetemperatur oberhalb der Infusionstemperatur, so kann Gas aus dem Kern in das Faserhalbzeug gelangen. Dies kann jedoch zur Porosität bzw. zur Erhöhung der Porosität des Faserhalbzeugs bzw. des Laminats führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Herstellung von Faserverbundbauteilen mit Formkernen anzugeben, bei der die genannten Probleme nicht auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass jedenfalls beim Aushärten in Schritt d) am Kunststoffbauteil im Wesentlichen ein Druckgleichgewicht zwischen dem Umgebungsdruck und dem Kerninnendruck hergestellt wird. Je nach Herstellungsverfahren kann auch schon vorher ein Druckgleichgewicht erforderlich sein oder eingestellt werden. Ein nennenswertes Druckgefälle zwischen den Räumen auf den beiden Seiten der Wandung des Kunststoffbauteils, also auf seiner dem Formkern zugewandten und von ihm berührten Seite einerseits und der ihm abgewandten Seite andererseits wird also vermieden. Die Erfindung verfolgt das Prinzip, eine Druckänderung bzw. -differenz zwischen einem vom Bauteil umgebenen Innenraum und der davon durch die Wandung getrennten Umgebung des Bauteils auch bei Erhöhung der Temperatur während des Aushärtens des Harzes weitgehend zu vermeiden. Davon nicht betroffen sind etwaige Druckverhältnisse innerhalb der Wandung des Bauteils bzw. des Faserhalbzeugs, etwa bei der Herstellung des Bauteils mittels eines Vakuumverfahrens.
Das Druckgleichgewicht am Faserhalbzeug soll insbesondere einen Überdruck des Kerns gegenüber dem Umgebungsdruck des Faserhalbzeugs verhindern, damit das Bauteil nicht verformt wird. Es kann zugunsten eines Unterdrucks im Kern verschoben werden. Denn die Hülle des Kerns legt sich bei Unterdruck im Kern auf dem Formkern an, so dass sie keine Blasen und Falten bildet. Der Unterdruck sorgt dafür, dass die den Formkern umgebende Hülle satt anliegt und keine versehentlichen Form- und Maßabweichungen des Bauteils zum Beispiel durch Blasenbildung der Hülle verursacht. Damit bietet die Erfindung ein vereinfachtes Herstellungsverfahren für einstückige bzw. monolithische Hohlbauteile, die jetzt nicht mehr zum Beispiel aus zwei Halbschalen zusammengesetzt werden müssen. Damit fallen nicht nur Montagestellen und der entsprechende Montageaufwand weg. Durch den Entfall dieser Fügestellen kann über das gesamte Hohlbauteil eine insbesondere hinsichtlich des Faserverlaufs ungestörte faserverstärkte Kunststoffschale hergestellt werden.
Das erfinderische Verfahren ist für alle mit einer Hülle umgebenen Kerne von Vorteil. Dabei kann es sich sowohl um unlösliche als auch um lösliche Kerne handeln. Bei unlöslichen Kernen werden in der Regel solche mit einer offenporigen oder einer Wabenstruktur umhüllt. Je nach Anforderung kann die Hülle mit dem Kern separat verklebt sein. Unter löslichen sind in aller Regel wasserlösliche Formkerne zu verstehen. Löslich sind die Formmasse der Kerne und dort auch ggf. nur einzelne Bestandteile der Formmasse, wie zum Beispiel ein Binder. Im Weiteren wird vereinfachend dennoch von löslichen Formmassen bzw. -kernen gesprochen. Es sind außerdem auch andere Lösungsmittel als Wasser, nämlich beispielsweise Toluol und darauf abgestimmte Formmassen denkbar. Ohne diese Möglichkeiten auszuschließen, geht die Beschreibung der Erfindung im Weiteren überwiegend von Wasser als Lösungsmittel aus.
Prinzipiell sind drei Möglichkeiten vorstellbar, während des Herstellungsverfahrens bei einer Temperaturerhöhung ein Druckgleichgewicht am Faserhalbzeug zwischen Bauteilinnen- und -außenraum zu erzeugen. Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gleichgewicht dadurch erzeugt, dass der Kerninnendruck reduziert wird. Zur Vermeidung eines Druckungleichgewichts zwischen dem Innenraum des Bauteils und seiner Umgebung wird erfindungsgemäß also der Kerninnendruck abgebaut. Damit müssen kernaußenseitig keine weiteren Maßnahmen zum Druckausgleich oder zur Aufnahme von Kräften aus einem Überdruck im Formkern ergriffen werden.
Dies kann nach einer ersten vorteilhaften Variante dieses Prinzips dadurch geschehen, dass insbesondere während des Aushärtens in Schritt d) ein sich aufbauender Kernüberdruck in die Umgebung abgleitet wird. Es wird also ein Druckausgleich zwischen „innen” und „außen” durch die Verbindung des Kerninnenraums und der Umgebung geschaffen. Dazu ist es erforderlich, die harzfeste und in der Regel auch gasdichte Hülle zu durchbrechen und eine Leitungsverbindung zwischen dem Innenraum des Formkerns und der Umgebung des Bauteils herzustellen. Damit sind keine konkreten Vorausberechnungen eines sich eventuell aufbauenden Kerninnendrucks erforderlich, weil durch die Leitungsverbindung zwischen Kerninnenraum und Umgebung eine automatische Druckanpassung erfolgt. Mit entsprechenden technischen Einrichtungen kann sie gegebenenfalls beein flusst werden und steuerbar sein. Die Erfindung sieht also ein Herstellungsverfahren vor, bei dem einem sich aufbauenden Kerninnendruck dem Kerninnenvolumen eine Expansionsmöglichkeit zum Druckabbau geboten wird, so dass beidseits der Wandungen des Bauteils im Wesentlichen gleiche Druckverhältnisse herrschen. Die Durchbrechung der Hülle und des Fasermaterials hinterlässt eine Öffnung im Bauteil, die nach seinem Aushärten vorteilhaft für das Auslösen des Formkerns verwendet werden kann.
Nach einer weiteren Variante des Prinzips des Abbaus des Kerninnendrucks kann nach der Umkleidung des Formkerns ein Unterdruck im Formkern hergestellt und zumindest für die Dauer des Fertigungsverfahrens aufrechterhalten werden. Die Erfindung schlägt also in dieser Variante eine „negative Druckvorspannung” vor, um einen sich später aufbauenden Druck auszugleichen. Der einzustellende Unterdruck im Formkern ist in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und der Härtungstemperatur zu wählen. Bei Normalbedingungen kann für eine Härtungstemperatur von 180°C beispielsweise ein Unterdruck von ca. 600 mbar (absolut) gewählt werden. Der Innenraum des Formkerns wird dazu mit an sich bekannten Verfahren weitgehend evakuiert. Zur Konservierung des Vakuums kann der Formkern sich selbst versiegelnd ausgebildet oder mit einer beispielsweise lackartigen Versiegelung oder einer Vakuumfolie umgeben werden. Dadurch kann sich der Herstellungsaufwand des umhüllten Formkerns zunächst eventuell geringfügig erhöhen. Während des Fertigungsverfahrens und insbesondere während des Aushärtens des Harzes dagegen bleibt der Kerninnenraum des Formkerns hinsichtlich seiner Druckverhältnisse vollkommen unabhängig von seiner Umgebung. Nach Einbau des Formkerns sind also keine weiteren Maßnahmen zum Druckausgleich mehr erforderlich und nötig. Der Formkern kann also ohne weitere Änderungen in den bekannten Fertigungsverfahren verarbeitet werden. Bei Umhüllung des Kerns mit einer Vakuumfolie kann der evakuierte Formkern außerdem nach einer definierten Haltezeit optisch oder messtechnisch auf die Dichtigkeit der Umhüllung hin überprüft werden.
Eine zweite Möglichkeit, mehr oder weniger ausgeglichene Druckverhältnisse zwischen dem Innenraum des Kunststoffbauteils bzw. des Formkerns und seiner Umgebung herzustellen, besteht darin, einen Gegendruck aufzubauen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann daher während des Schritts d) bei entstehendem Kerninnendruck ein betragsmäßig zumindest entsprechender oder geringfügig größerer Umgebungsdruck aufgebaut werden. Das Druckgleichgewicht stellt dabei keine „scharfe Grenze” dar, weil sich der gewünschte Effekt auch bei geringfügigem Überdruck im Kern einstellen kann. Jedenfalls wird der mögliche sich aufbauende Kerninnendruck vorausberechnet, um den erforderlichen Gegendruck von Außen entsprechend einstellen zu können. Das Aufbringen eines Gegendrucks kann in einer Überdruckkammer erfolgen. Es stellt insbesondere bei dem Herstellungsverfahren von Faserverbundbauteilen im Autoklav keinen Zusatzaufwand dar, weil nach diesem Verfahren ohnehin ein Umgebungsdruck für die Einstellung eines erforderlichen Faservolumengehalts nötig ist. Der Autoklav wird also zusätzlich dazu verwendet, um einen dem Kerninnendruck entsprechenden Umgebungsdruck zu erzeugen und ein Druckgleichgewicht am Bauteil zu erzielen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nutzt ein drittes Prinzip, wonach der Formkern in Schritt b) mit einer druckstabilen Hülle umgeben wird. Demnach erfolgt beim Herstellungsverfahren des Bauteils keine Beeinflussung des Drucks auf der Seite des Kerninnenraums bzw. auf der Innenraumseite des Bauteils oder auf der anderen Seite, nämlich seiner Umgebung. Vielmehr wird der Kern mit einer Hülle umgeben, die dem Kerninnendruck standhält, ohne sich zu verformen. Auch damit können also die negativen Auswirkungen, insbesondere eine Formänderung des Kerns, vermieden werden. Druckanlagentechnik und Maßnahmen am Formkern oder dem Herstellungsaufbau können dadurch vollständig entfallen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Hülle mit dem Kern fest verbunden werden. Die Formmasse des Kerns trägt also die durch seinen Innendruck entstehende Belastung mit. Dazu ist für eine Ausreichende Haftung der Hülle am Kern zu sorgen, damit sich die Hülle unter Druck auch nicht teilweise ablösen, verformen und in der Folge beschädigt werden kann. Die Verbindung zwischen der druckstabilen Hülle und der Formmasse des Formkerns ist also so auszubilden, dass in der Kontaktfläche zwischen der Hülle und der Masse Zugkräfte aus dem Kerninnendruck auf die Hülle vollständig übertragen werden können.
Nach einer dazu alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Hülle des Formkerns ausreichend eigenstabil ausgebildet sein. Für die Hülle können beispielsweise Materialien verwendet werden, die aus der Linertechnik zur Herstellung von innen beschichteten Tanks bekannt sind, Metall etwa. Danach ist die Stabilität der Formmasse eher unbedeutend und kann auch von geringer Festigkeit sein, weil die Formmasse keine Belastungen aus dem Kerninnendruck mitträgt. Auch die oben genannte Problematik der Kraftübertragung an der Verbindung zwischen der Masse und der Hülle kann hier nicht auftreten, weil die Hülle zur Aufnahme der auftretenden Kräfte ausreichend standfest ist.
Feste, also unlösliche Kerne verbleiben in der Regel in dem sie umgebenden Bauteil. Zum Beispiel aus Gründen der Gewichtsersparnis kommen lösbare Kerne zum Einsatz, die in einem separaten Bearbeitungsschritt aus dem Bauteil ausgelöst werden. Sie werden mit einer harzfesten Hülle umgeben, damit sich das Harz nicht mit der Formmasse des Kerns verbindet und sein Auslösen zumindest erschwert. Die Hülle verbleibt in der Regel im Bauteil, weil sie sich durch das Löse mittel, meist Wasser, nicht lösen lässt und ihr mechanischer Ausbau zu aufwändig wäre. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Formmasse des Kerns mit einer zwar harzfesten, aber löslichen Hülle umgeben. Ist sie außerdem resistent gegen das Lösemittel der Formmasse, kann sie gezielt in einem separaten Auslöseschritt entfernt werden. Sie kann aber vorteilhaft mit demselben Lösemittel wie die Formmasse gelöst und damit zugleich mit ihm entfernt werden. Sie muss dazu in der Regel zwar harzfest, aber wasserlöslich sein, wenn die Formmasse durch Wasser als einfachstes und unproblematisches Lösemitttel ausgelöst wird. Sie bietet damit den Vorteil, dass die Formmasse des Kerns weiterhin auf einfache Weise in einem leicht handzuhabenden Verfahren ausgelöst werden kann, die Hülle aber im Gegensatz zum Stand der Technik ebenfalls ausgelöst werden kann und zwar im selben Bearbeitungsschritt und nicht in einem aufwändigen mechanischen Verfahrensschritt beseitigt werden muss.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bei der oben erwähnten Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff bzw. Faserverbundwerkstoff-Bauteilen mit einem gasdicht umhüllten Formkern bei dem während des Fertigungsverfahrens im Formkern ein Innendruck entsteht, durch Mittel zur Einstellung im Wesentlichen eines Gleichgewichts am Kunststoffbauteil bzw. Faserhalbzeug zwischen dem Umgebungsdruck und dem Innendruck aus dem Formkern bzw. dem Innenraum des Bauteils gelöst. Die Vorrichtung verhindert damit, dass infolge eines Druckungleichgewichts, insbesondere eines Überdrucks im Kern sich die äußere Form des Kerns verändert. Er kann sich beispielsweise ausbeulen und damit das zukünftige Kunststoffbauteil unerwünscht verformen.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die druckdichte Hülle druckstabil ausgebildet sein. Sie verhindert damit, dass trotz eines anliegenden Kerninnendrucks sich dieser auf das Faserhalbzeug belastend und damit verformend auswirken kann. Ohne ein Außenwerkzeug, das die Kräfte aus dem Kerninnendruck aufnehmen kann, fehlt dem Kerninnendruck ein Widerlager bzw. ein Gegendruck, so dass er das Faserhalbzeug verformen würde. Die druckstabile Hülle ist also derart ausgebildet, dass sie die Druckkräfte aus dem Kerninnendruck vollständig aufnimmt ohne sich dabei zu verformen.
Nach einer ersten vorteilhaften Variante der druckstabilen Hülle kann sie mit dem Formkern fest verbunden sein. Sie kann beispielsweise auf dem Formkern fest verklebt sein oder durch geeignete Ankerelemente im Material des Formkerns punktuell oder linear verankert sein. Damit trägt der Formkern die Hülle mit, so dass die Hülle dünner ausgebildet sein kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Hülle im zukünftigen Kunststoffbauteil verbleibt, wohingegen der Kern ausgelöst wird.
Eine Alternative zu dieser Ausführungsform kann darin bestehen, dass die druckdichte Hülle selbst ausreichend druckstabil ausgebildet ist, ohne Kräfte auf den Kern zu übertragen. Das Kernmaterial ist bei dieser Variante nahezu unerheblich, es muss daher nur geringe Festigkeitsanforderungen erfüllen. Außerdem ergeben sich keine physikalischen oder chemischen Verbindungsprobleme zwischen Kern und Hülle. Die Hülle selbst dagegen ist massiver auszubilden.
Die vorgenannten Vorrichtungen verfolgen also das Prinzip, den entstehenden Kerninnendruck unverändert zu lassen und ihn mittels der Hülle soweit aufzunehmen bzw. ihm standzuhalten, dass sich der Formkern insgesamt nicht verformt. Nach einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Vorrichtung Mittel zur Reduzierung des Kerninnendrucks aufweisen. Diese Variante verfolgt also das Prinzip, einen entstehenden Überdruck zu reduzieren, um eine Ausdehnung und Verformung der Hülle zu vermeiden. Auch dadurch lässt sich wiederum ein Gleichgewicht am Faserhalbzeug bzw.
Kunststoffbauteil herstellen. Die Hülle muss dann nicht so stabil ausgebildet sein wie bei der oben beschriebenen Variante.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltungsform dieser Variante kann der Formkern eine gasdichte und im Rahmen der Anwendung druckdichte Hülle umfassen, die mit einem druckdichten Leitungsanschluss ausgestattet ist, der durch das zukünftige Kunststoffbauteil bzw. durch das Faserhalbzeug hindurchführbar ist. Dadurch wird der Kerninnenraum an die Umgebung fluidleitend angeschlossen, so dass der Kerninnendruck von außen regulierbar ist. Der Leitungsanschluss kann ungestört auf die Außenseite des Faserhalbzeugs bzw. Kunststoffbauteils geführt sein, so dass sich der Druckausgleich ohne weiteres Zutun durch Entspannung des Kerninnendrucks einstellen kann. Er kann auch durch Ventile und eine Vakuumpumpe gezielt hinsichtlich Zeitpunkt und Größe gesteuert werden, so dass zum Beispiel ein geringfügiger Unterdruck im Kern erzeugt wird, der ein besonders sattes Anliegen der druckdichten Hülle am Formkern hervorruft. Nach dieser Variante ist also der Kerninnendruck von Außen jederzeit und auch während des Aushärtens regulierbar, so dass auf einen sich verändernden Kerninnendruck sofort und aktuell reagiert werden kann.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Formkern druckdicht umschlossen und zumindest teilweise evakuiert sein, so dass die den Kern umgebende druckdichte Hülle nicht nur eng an die Außenkontur des Formkerns angesaugt ist, sondern ein dem zu erwartenden Kernüberdruck zumindest entsprechender Unterdruck aufgebaut wird. Die Herstellung eines evakuierten Formkerns ist an sich eine bereits bekannte und gut beherrschbare Technologie, so dass sie keinen unkalkulierbaren Aufwand darstellt. Sie bietet den Vorteil, dass die druckdichte Hülle nicht durchbrochen sein muss, also keine Fehler anfällige Unstetigkeitsstelle aufweist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Herstellungsvorrichtung eine Einrichtung zur Erhöhung des Umgebungsdrucks während des Aushärtens des Kunststoffbauteils umfassen. Sie kann in einer Überdruckkammer bestehen, in der beispielsweise ein Vakuumaufbau angeordnet ist. Sind für die Aushärtung des Harzes ohnehin Temperatur und Druck erforderlich, können dafür Autoklaven zum Einsatz kommen. Der für die Aushärtung aufgebrachte Druck genügt in der Regel als Gegendruck für den sich aufbauenden Kerninnendruck. Mit dem Aufbringen eines Umgebungsdrucks kann der Herstellungsaufbau für das Kunststoffbauteil im Übrigen im Wesentlichen unverändert bleiben. Eine aufwändige Herstellung des Kerns, zusätzliche Maßnahmen oder zusätzliche Leitungen am Kern sind entbehrlich.
Die Hülle hat jedenfalls die Aufgabe, die Formmasse des Kerns während der Bauteilherstellung gegen eindringendes Harz zu schützen. Anderenfalls könnte insbesondere bei offenporigen Formmassen ihr Auslösen erschwert werden und eine unerwünscht unebene Innenoberfläche des Bauteils entstehen. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Hülle aus einem harzfesten, aber löslichen Material bestehen. Dadurch kann auch die Hülle durch verfahrenstechnisch einfaches Auslösen entfernt werden, auch wenn dies eine nur geringe Gewichtseinsparung bewirkt. Die Hülle kann durch ein anderes Lösemittel ausgelöst werden als die Formmasse, um beide Auslöseprozesse voneinander zu trennen. Vorteilhafterweise ist die Hülle jedoch ebenso löslich wie die Formmasse, so dass sie in einem Arbeitsschritt zugleich entfernt werden können. Das einfachste Lösemittel ist Wasser, weshalb die Hülle zwar harzfest, aber wasserlöslich ausgebildet werden kann.
Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1: eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens gemäß Stand der Technik,
2: die erfindungsgemäße Herstellung mittels steuerbaren Kerninnendruck,
3: die Herstellung mittels evakuierten Formkern, und
4: die Herstellung im Autoklav.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Hohlkörpers aus Faserverbundwerkstoff (FVW) soll in einer vereinfachten schematischen Darstellung in 1 kurz erläutert werden. Ausgangspunkt ist ein umhüllter wasserlöslicher Formkern 10 aus einer wasserlöslichen Formmasse 12 und einer wasserfesten Hülle 14. Die Hülle 14 hat die Aufgabe, die wasserlösliche Formmasse 12 flüssigkeitsdicht zu umschließen. Sie verhindert, dass im anschließenden Herstellungsprozess flüssiges Material in die Formmasse 12 eindringen kann, das anderenfalls zur Ausbildung des Bauteils verloren ginge und ein Entformen des Formkerns 10 erschwerte. Der Formkern 10 als Innenwerkzeug wird anschließend mit einzelnen Lagen von Faserhalbzeug 16 umgeben. Für die Erfindung ist dabei ohne Belang, ob dies mechanisch oder maschinell erfolgt sowie ob das Faserhalbzeug bereits mit Harz vorimprägniert ist (Prepreg) oder nicht. Der umhüllte Formkern 10 wird anschließend in ein zweiseitiges Formwerkzeug 18 eingesetzt, das als Außenwerkzeug die äußere Form des zukünftigen FVW-Bauteils bestimmt. Nach dem Schließen der beiden Werkzeughälften des Formwerkzeugs 18 um den mit Faserhalbzeug 16 umkleideten Formkern 10 wird das Faserhalbzeug 16 mit einem Harz getränkt, sofern es nicht bereits im Prepreg-Material enthalten ist. Das Harz kann beispielsweise im Vakuumverfahren in das Faserhalbzeug 16 unter Druck eingesogen oder im Überdruckverfahren injiziert werden.
Anschließend wird der gesamte Fertigungsaufbau, also insbesondere das Formwerkzeug 18, das jetzt mit Harz getränkte Faserhalbzeug 20 und der Formkern 10 erwärmt, um das Harz auszuhärten. Auch die wasserlösliche Formmasse 12 und insbesondere die darin enthaltene Luft dehnen sich unter der erhöhten Temperatur aus. Der Formkern 10 nimmt dadurch an Volumen zu, sofern die in ihm enthaltenen Gase nicht durch eine gasdurchgängige Hülle 14 hindurch entweichen können. Ein Entweichen durch die Hülle 14 ist im Allgemeinen unerwünscht, weil dies nur durch das harzgetränkte Faserhalbzeug 20 hindurch erfolgen kann, dessen Porosität durch das Durchströmen mit Gas während des Herstellungsprozesses unerwünscht erhöht würde. Dem steigenden Druck aus dem Formkern 10 ohne Entspannungsmöglichkeit für das Gas bietet jedoch das geschlossene Formwerkzeug 18 einen Widerstand, so dass das zukünftige FVW-Bauteil jedenfalls hinsichtlich seiner Außenabmessungen keine unerwünschten Verformungen erfährt.
Nach Abschluss des Härtungsprozesses hat das zukünftige FVW-Bauteil seine endgültige Außenform erhalten. Es wird aus dem Formwerkzeug 18 entnommen und muss jetzt noch zur Beseitigung des Formkerns 10 nachbearbeitet werden. Dazu werden nicht dargestellte Durchbrechungen in das harzgetränkte und ausgehärtete Faserhalbzeug 20 eingebracht, um den löslichen Formkern 10 mit einem geeigneten Lösungsmittel 22 zu lösen und auszuspülen. Nach Entfernen des Formkerns 10 steht ein fertiges FVW-Bauteil 23 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Wie in 1 dargestellt kann sowohl die Formmasse 12 als auch ihre Hülle 14 aus dem FVW-Bauteil 23 entfernt werden. Je nach Material und Gestaltung der Hülle 14 kann sie auch im FVW-Bauteil 23 verbleiben und dort eine innere Oberfläche des Bauteils 23 bilden. Das FVW-Bauteil 23 wird nach dieser und ggf. weiterer Bearbeitung an seinen Bestimmungsort, beispielsweise in einem Hubschrauber, eingebaut.
2 stellt eine erste erfindungsgemäße Herstellung dar. Sie folgt dem Prinzip, den Innendruck des Formkerns 10 zu beeinflussen. Dazu wird ein an sich bekannter Formkern 10 aus einer löslichen Formmasse 12 und einer druckdichten Hülle 14 verwendet. Der Formkern 10 erhält einen Leitungsanschluss 24, der eine fluidi sche Verbindung durch die Hülle 14 hindurch in den Innenraum des Formkerns 10 herstellt. Der Leitungsanschluss 24 ist mit einer Dichtung 26 gegenüber der Hülle 14 abgedichtet.
Anschließend werden an den Leitungsanschluss 24 eine Vakuumpumpe 28 und ein Druckmesser bzw. Manometer 30 angeschlossen. Die Vakuumpumpe 28 erzeugt einen Unterdruck im Kern 10, dessen Größe der Druckmesser 30 erfasst. Um den Formkern 10 und seine Hülle 14 auf Dichtigkeit zu überprüfen, wird der erzeugte Unterdruck über eine vorgegebene Zeitspanne aufrecht erhalten bzw. mittels Druckmesser 30 überprüft, ob er aufrecht erhalten bleibt. Liegt das ermittelte Druckniveau im Kerninneren unterhalb eines festgelegten Grenzwertes bzw. innerhalb eines definierten Toleranzbereichs, kann der Kern 10 für die Fertigung des FVW-Bauteils verwendet werden. Dadurch können schadhafte oder ungeeignete Kerne 10 ausgesondert und Ausschussbauteile vermieden werden. Die Qualität des Herstellungsprozesses kann damit in einem frühen Stadium gesichert werden.
Erfolgreich auf Dichtigkeit überprüfte Formkerne 10 werden anschließend mit einem Leitungssystem 32 des Drucksystems zur Herstellung des Faserverbundbauteils verbunden, das in 2 nur stark vereinfacht als Symbol dargestellt ist.
Daraufhin wird der Fertigungsaufbau zur Herstellung des FVW-Bauteils erstellt. Dazu wird zunächst der Formkern 10 mit Faserhalbzeug 16 umgeben. Der so ausgerüstete Formkern 10 wird in einen Vakuumaufbau eingesetzt, bei dem unter einer Vakuumfolie 34 neben dem Formkern 10 ein Angussprofil 36 und ein Absaugprofil 38 für das Harz untergebracht ist. Das Angussprofil 36 und das Absaugprofil 38 sind bezüglich des Formkerns 10 an dessen einander gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Das Angussprofil 36 ist über eine Leitung 40 mit einem Harzreservoir 42 verbunden. Das Absaugprofil 38 steht über eine Leitung 44 und einer Harzfalle 48 mit einer Vakuumpumpe 28 in fluidischer Verbindung. Der Leitungsanschluss 24 am Formkern 10 ist ebenfalls aus dem Bereich der Vakuumfolie 34 hinausgeführt und schafft somit eine Verbindung zu dem nur schematisch dargestellten Drucksystem 32.
Anschließend wird die Herstellung des Formteils in der bekannten Weise in einem Vakuuminfusionsverfahren durchgeführt. Der Unterdruck aus der Vakuumpumpe 28 saugt Harz aus dem Harzreservoir 42 über das Angussprofil 36 in das Faserhalbzeug 16 hinein in Richtung auf das Absaugprofil 38 hin. Die Harzfalle 48 verhindert das Eindringen von Harz in die Vakuumpumpe 28, wenn das Faserhalbzeug 16 vollständig mit Harz getränkt ist. Nach dem Einbringen des Harzes in die Schichten des Faserhalbzeugs 16 wird in einem späteren Verfahrensschritt die Temperatur zur Aushärtung des Harzes erhöht. Wie bereits im bekannten Verfahren nach 1 beschrieben kommt es zu einer Ausdehnung des Volumens des Formkerns 10 durch Expansion des darin enthaltenen Gases, insbesondere der Luft. In dem in 2 dargestellten Fertigungsaufbau ist jedoch kein Außenwerkzeug vorhanden, das einen Gegendruck aufbauen könnte, damit der Formkern 10 und mit ihm das ihn umgebene Faserhalbzeug 16 seine Ursprungsform aufrecht erhält. Erfindungsgemäß wird stattdessen der Innendruck im Formkern 10 über den Leitungsanschluss 24 in die Umgebung außerhalb des Vakuumaufbaus unter der Vakuumfolie 34 abgeleitet. Er kann sich ohne weiteres Zutun entspannen bzw. abbauen. Im Kern 10 stellt sich folglich nahezu der gleiche Druck ein wie in seiner Umgebung. Gegebenenfalls kann sogar ein Unterdruck innerhalb des Formkerns 10 erzeugt werden, um für eine zuverlässige Anlage der Hülle 14 an der Formmasse 12 zu sorgen und so unerwünschte Formabweichungen durch eine wellige oder gebeulte Hülle 14 zu vermeiden.
Nach Aushärten des Harzes im harzgetränkten Faserhalbzeug 20 zu einem Laminat kann das FVW-Bauteil aus dem Vakuumaufbau ausgebaut und in bekannter Weise vom löslichen Formkern 10 befreit werden.
Eine dazu alternative Herstellung ist in 3 dargestellt. Ausgangspunkt ist ebenfalls wieder ein druck- und fluiddicht umhüllter Formkern 10. Auch er wird mit einem Leitungsanschluss 24 ausgestattet, der gegenüber der Hülle 14 mit einer Dichtung 26 abgedichtet ist. Daran wird eine Vakuumpumpe 28 mit einem Druckmesser 30 angeschlossen. Der Formkern 10 wird jetzt mittels der Vakuumpumpe 28 weitgehend evakuiert. Damit wird im Kern 10 ein Kerninnendruck p_k erzeugt, der niedriger ist als der Umgebungsdruck p_u. Die Prozessschritte zur Umhüllung der Formmasse 12 mittels der Hülle 14 und das Evakuieren des Formkerns 10 müssen dabei nicht zwingend nacheinander, sondern können auch wie beim bekannten Vakuumverschweißen von Formkernen parallel ablaufen. Der so hergestellte Formkern 10 wird jetzt in den bereits aus 2 bekannten Vakuumaufbau eingebracht. Im Gegensatz zu 2 entfällt jetzt jedoch ein Leitungsanschluss, der den Vakuumaufbau durchdringen, also durch die Vakuumfolie 34 hindurchverlegt werden müsste. Damit können zahlreiche fehleranfällige Schritte, insbesondere zum Abdichten der Vakuumfolie 34 an den Leitungsdurchführungen, entfallen.
Die Größe des Kerninnendrucks p_k wird durch Evakuieren des Formkerns 10 so eingestellt, dass auch bei einer anschließenden Temperaturerhöhung zur Aushärtung des Harzes im Vakuumaufbau sich kein Kerninnendruck aufbauen kann, der zu einer Formänderung des Formkerns 10 führen würde.
Die bisher dargestellten Herstellungsverfahren und -vorrichtungen nutzten das Prinzip, einen sich aufbauenden Kerninnendruck durch Druckreduzierung im Inneren des Formkerns 10 zu begegnen und damit im Wesentlichen ausgeglichene Druckverhältnisse am Faserhalbzeug 16 bzw. 20 zu erzielen. Denn bei ausgegli chenen Druckverhältnissen innerhalb und außerhalb des zukünftigen FVW-Bauteils kann es jedenfalls nicht wegen eines Druckaufbaus zu unerwünschten Verformungen kommen. Die in 4 dargestellte Herstellung dagegen bedient sich eines davon abweichenden Prinzips, indem es nämlich einen Gegendruck zum Kerninnendruck aufbaut. Der druck- und fluiddicht umhüllte Formkern 10 wird demgemäß in den bekannten Vakuumaufbau unter der Vakuumfolie 34 eingebaut und verarbeitet, wie bereits in den 2 und 3 beschrieben. Abweichend davon erfolgt jetzt das Aushärten neben einer Temperaturerhöhung auch unter Druck in einem Autoklav 50. Dieses Verfahren ist an sich bekannt, wird jetzt allerdings zusätzlich dazu verwendet, dem Kerninnendruck p_k einen mindestens genauso großen Autoklavdruck p_a entgegenzusetzen. In einem Versuch war bei einer Aushärtetemperatur von 180°C unter Normalbedingungen eine Änderung des Kerninnendrucks p_k von 500 mbar zu erwarten gewesen. Als Autoklavdruck p_a wurden 2 bar und damit ein deutlich höherer als nötiger Druck gewählt.
Auch mit dem Autoklavdruck p_a lassen sich im Wesentlichen ausgeglichene Druckverhältnisse im Faserhalbzeug 16 bzw. 20 erzielen, die unerwünschte Verformungen des zukünftigen FVW-Bauteils ausschließen. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Verfahren liegt das Druckgleichgewicht jetzt jedoch auf einem wesentlich höheren Niveau, nämlich zumindest auf dem des sich entwickelnden Kerninnendrucks p_k. Nach dem Aushärten des zukünftigen FVW-Bauteils im Autoklav unter Druck und Temperatur und nach dem Endformen des FVW-Bauteils 23 wird es nach Auslösen des Kerns weiter verarbeitet und wunschgemäß verbaut.

10: Formkern
12: Formmasse
14: Hülle
16: Faserhalbzeug
18: Formwerkzeug
20: harzgetränktes Faserhalbzeug
22: Lösemittel
23: faserverstärktes Kunststoffbauteil
24: Leitungsanschluss
26: Dichtung
28: Vakuumpumpe
30: Druckmesser
32: Druckleitungssystem
34: Vakuumfolie
36: Angussprofil
38: Absaugprofil
40: Leitung
42: Harzreservoir
44: Leitung
48: Harzfalle
50: Autoklav
p_k: Kerninnendruck
p_a: Autoklavdruck
p_u: Umgebungsdruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005011930 B3 [0004]
- DE 10342867 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (23) aus faserverstärktem Kunststoff insbesondere mithilfe eines umhüllten Formkerns (10), mit den folgenden Schritten: a) Herstellen des Formkerns (10), b) Ummanteln des Formkerns (10) mit einer harzfesten Hülle (14), c) Aufbringen von Faserhalbzeug (16) und Einbringen von Harz zur Erstellung des Kunststoffbauteils (23), und d) Aushärten des Kunststoffbauteils (23) unter Temperatureinwirkung dadurch gekennzeichnet, dass jedenfalls beim Aushärten in Schritt d) am Faserhalbzeug (16, 20) im Wesentlichen ein Druckgleichgewicht zwischen dem Umgebungsdruck (p_u) und dem Kerninnendruck (p_k) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerninnendruck (p_k) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere während des Aushärtens in Schritt d) ein sich aufbauender Kernüberdruck in die Umgebung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Umkleidung des Formkerns (10) ein Unterdruck in der Hülle (14) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schritts d) bei entstehendem Kerninnendruck (p_k) ein betragsmäßig zumindest entsprechender Umgebungsdruck (p_u) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (10) in Schritt b) mit einer druckstabilen Hülle umgeben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle mit dem Kern fest verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle ausreichend eigenstabil ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die harzfeste Hülle (14) mit einem Lösemittel ausgelöst wird.
Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen (23) aus faserverstärktem Kunststoff (Faserverbundbauteilen) mit einem umhüllten Formkern (10), gekennzeichnet durch Mittel zur Einstellung im Wesentlichen eines Gleichgewichts am Faserhalbzeug (16, 20) zwischen dem Umgebungsdruck (p_u) und dem Innendruck (p_k) im Formkern (10).
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine druckstabile Hülle des Formkerns (10).
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine mit dem Formkern (10) fest verbundene Hülle.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine eigen(druck)stabile Hülle des Formkerns (10).
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Mittel zur Reduzierung des Kerninnendrucks (p_k).
Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine druckdichte Hülle (14) um den Formkern (10) herum mit einem druckdichten Leitungsanschluss (24, 26), der durch das zukünftige Kunststoffbauteil (23) hindurchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen druckdicht umschlossenen evakuierten Formkern (10).
Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erhöhung des Umgebungsdrucks (p_A) während der Aushärtung des Kunststoffbauteils (23).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, gekennzeichnet durch eine harzfeste, aber lösliche Hülle (14) des Formkerns (10).