DE102008049359B4

DE102008049359B4 - Herstellungsverfahren für Hohlbauteile aus Faserverbundwerkstoffen in Schlauchbauweise, Folienschlauch und Herstellungsverfahren für einen Folienschlauch

Info

Publication number: DE102008049359B4
Application number: DE102008049359.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Meyer-Noack Sven
Original assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: US20110253299A1; EP2337671A2; CN102164737A; WO2010035125A3; CN102164737B; DE102008049359A1; WO2010035125A2; US9056428B2

Abstract

Herstellungsverfahren für Hohlbauteile unter Verwendung eines Folienschlauchs (1) und eines Formwerkzeugs (3), mit folgenden Schritten: a) Einbringen eines Kunststoff-Werkstoffs im Bereich einer Innen-Oberfläche (4a, 4b) des Formwerkzeugs (3), b) Anformen des Werkstoffs an die Innen-Oberfläche (4a, 4b) des Formwerkzeugs (3), c) Einbringen eines Folienschlauchs (1) in das Formwerkzeug (3), so dass der Werkstoff zwischen einer äußeren Oberfläche des Folienschlauchs (1) und dem Formwerkzeug (3) positioniert ist, d) Expandieren des Folienschlauchs (1) mit Hilfe von Druck und/oder Vakuum, e) Einbringen eines Drucks (p) über Atmosphärendruck und/oder Erhitzen des Formwerkzeugs, so dass der Werkstoff ganz oder teilweise geschmolzen und formmäßig an eine Innen-Kontur des Formwerkzeugs (3) und eine Außenkontur des expandierten Folienschlauchs (1) angepasst wird, gekennzeichnet durch Formen des Folienschlauchs (1)) aus einem Endlosmaterial bei dessen Herstellung vor dem Einbringen in das Formwerkzeug (3) in Schritt c) so, dass er in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Längserstreckung eine Kontur mit einer Vielzahl von über seinen Umfang verteilten in Richtung seiner Längserstreckung verlaufenden, aufgeprägten Einbuchtungen (E) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Hohlbauteile unter Verwendung eines Folienschlauchs und eines Formwerkzeugs mit den folgenden Schritten:

a) Einbringen eines Kunststoff-Werkstoffs im Bereich einer Innen-Oberfläche des Formwerkzeugs,
b) Anformen des Werkstoffs an die Innen-Oberfläche des Formwerkzeugs,
c) Einbringen eines Folienschlauchs in das Formwerkzeug, so dass der Werkstoff zwischen eine äußere Oberfläche des Folienschlauchs und dem Formwerkzeug positioniert ist,
d) Expandieren des Folienschlauchs mit Hilfe von Druck und/oder Vakuum,
e) Einbringen eines Drucks über Atmosphärendruck und/oder Erhitzen des Formwerkzeugs, sodass der Werkstoff ganz oder teilweise geschmolzen wird und formmäßig an eine Innen-Kontur des Formwerkzeugs und eine Außenkontur des expandierten Folienschlauchs angepasst wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Folienschlauch zur Herstellung von Hohlbauteilen und ein Herstellungsverfahren dafür.

Hohlbauteile, speziell solche für die Luftfahrtindustrie, wie zum Beispiel Türelemente von Hubschraubern, werden heute oftmals in der oben beschriebenen Bauweise hergestellt. Dabei besteht ein Formwerkzeug üblicherweise aus mindestens zwei komplementären, schalenförmigen Werkzeugteilen, in die ein Kunststoff-Werkstoff eingebracht und angeformt wird. Der Folienschlauch wird in eines der mit einem Werkstoff ausgelegten Werkzeugteile gelegt bevor dieses mit dem zweiten bzw. weiteren Werkzeugteilen zu einem Hohlkörper verschlossen wird. Kunststoff-Werkstoffe umfassen sowohl Werkstoffe, die komplett aus Kunststoff bestehen als auch Kunststoffe enthaltende Verbundmaterialien, insbesondere Kunststoffe enthaltende Fasern. Dabei erfolgt meist das Einbringen und Anformen des Kunststoff-Werkstoffs in den Schritten a) und b) zeitlich vor den Schritten c) bis d). Es sind jedoch auch Einspritzverfahren bekannt, bei denen in ein Formwerkzeug mit einem darin eingebrachten und ggf. expandierten Folienschlauch ein flüssiger heißer, einen Kunststoff umfassender Werkstoff zwischen die äußere Oberfläche des Folienschlauchs und die Innen-Oberfläche des Formwerkzeug injiziert wird.
Auch für Hohlbauteile beispielsweise mit wechselnden Querschnitten oder bei Bauteilen mit komplexer Hohlbauteilgeometrie wird aus Kostengründen in der Regel kein darauf hinsichtlich seines Querschnitts angepasster Folienschlauch verwendet, sondern vielmehr ein Schlauch mit konstantem Querschnitt. Der Schlauch muss sich demzufolge unterschiedlich ausdehnen können, um gleichmäßigen Druck auf den Werkstoff zu gewährleisten, auch in den schwer zu erreichenden Bauteilecken. Besonders in diesen Bereichen können Probleme auftreten: Die Streckgrenze des eingesetzten Folienschlauchs kann erreicht werden, wodurch keine ausreichende Komprimierung der Werkstoffe mehr möglich ist. Aufgrund weiterer Dehnung kann der Folienschlauch schließlich reißen. In beiden Fällen resultiert daraus ein kostspieliger Bauteilausschuss.
Bisher wird dieser Problematik im Wesentlichen durch ein gewisses Übermaß des Schlauches durch eine einfache Faltung, in der Regel in Z-Form begegnet. Trotzdem kommt es bei komplexen Bauteilen immer wieder zu mangelnder Komprimierung der Werkstoffe oder zur Überdehnung des Schlauches.
Die DE 10 2006 031 335 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, mit folgenden Verfahrensschritten: Ausbilden eines Formkerns mit einem Hohlprofil aus Segmenten zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns, wobei die Segmente des Formkerns sich jeweils entlang der Längsrichtung des Formkerns erstrecken und jeweils um die Längsrichtung des Formkerns zwischen einer zusammengefalteten Stellung und einer auseinandergefalteten Stellung des Hohlprofils des Formkerns verschwenkbar ausgebildet werden; wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem Faserhalbzeug auf dem ausgebildeten Formkern zur Formgebung von wenigstens einem Formabschnitt des herzustellenden Faserverbundbauteils; und Beaufschlagen des wenigstens einen Formabschnitts mit Wärme und/oder Druck zum Herstellen des Faserverbundbauteils. Ferner wird ein Formkern zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit einem Hohlprofil aus Segmenten zum Festlegen einer äußeren Geometrie des Formkerns, wobei die Segmente des Formkerns sich jeweils entlang der Längsrichtung des Formkerns erstrecken und jeweils um die Längsrichtung des Formkerns zwischen einer zusammengefalteten Stellung und einer auseinandergefalteten Stellung des Hohlprofils des Formkerns verschwenkbar ausgebildet sind, bereitgestellt. Weiterhin wird ein Faserverbundbauteil mit wenigstens einem Stringer, welches mittels des Formkerns und/oder des Verfahrens hergestellt ist, bereitgestellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere vereinfachte und zuverlässige Möglichkeit, für die Herstellung auch komplexer Hohlbauteile mit Hilfe von Folienschläuchen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, sowie durch einen Folienschlauch gemäß Anspruch 9 und Herstellungsverfahren zur Herstellung dieses Folienschlauchs gemäß den Ansprüchen 14, 16 und 17. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Folienschlauch vor dem Einbringen in das Formwerkzeug so geformt, dass er in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Längserstreckung eine Kontur mit einer Vielzahl von vorzugsweise gleichmäßig über seinen Umfang verteilten, in Richtung seiner Längserstreckung verlaufenden Einbuchtungen aufweist. Die Einbuchtungen wechseln sich mit dazwischen liegenden Auswölbungen in derselben Anzahl wie die Einbuchtungen ab. Unter einer Vielzahl von Einbuchtungen wird eine Anzahl von mehr als drei, vorzugsweise mehr als sieben und besonders bevorzugt mehr als 10 Einbuchtungen verstanden. Mit der Anzahl der Einbuchtungen bzw. der Auswölbungen erhöht sich das Potenzial des Folienschlauchs, sich auch in komplizierten Hohlraumgeometrien möglichst vollflächig anzulegen.
Wird ein erfindungsgemäßer Folienschlauch in ein Formwerkzeug eingebracht und angeblasen, so liegt er zunächst nur mit den Enden seiner Auswölbungen an dem Werkstoff auf, der zur Herstellung eines Hohlbauteils dient. Beim weiteren Expandieren beginnen sich die zwischen den Auswölbungen liegenden Einbuchtungen zu entfalten. Zur Anpassung an den Querschnitt des Hohlbauteils können also die Einbuchtungen ausgestülpt werden, ohne dass sich der Folienschlauch, insbesondere die bereits anliegenden Enden der Auswölbungen, entlang des kontaktierten Werkstoffs verschieben muss. Gegenüber diesem Werkstoff entsteht also schlimmstenfalls eine geringe Relativbewegung bzw. Reibung. Der Hauptanteil der Anpassungsbewegung des Schlauchs findet nämlich durch aneinander Entlanggleiten seiner eigenen Außenflächen im Bereich der Einbuchtungen statt. Mit der Anzahl der Auswölbungen und auch mit ihrer Länge steigt also die Anpassungsfähigkeit des Folienschlauchs an den ihn umgebenden Querschnitt.
Der erfinderische Folienschlauch ist daher bei sehr komplizierten Hohlbauteilen einsetzbar, beispielsweise auch bei Bauteilen mit Knotenpunkten, also Bereichen von drei und mehr sich in einem Punkt treffenden Hohlprofilen. Der erfinderische Folienschlauch kann durch seine Formgebung und geringeren Reibungskräfte weiter expandiert werden und passt sich flexibler an komplizierte Geometrien an als bekannte. Er schlüpft leicht in Ecken und sogar hinter Kanten, beispielsweise bei Hinterschneidungen oder sprunghaften Querschnittsänderungen.
Die Formung des Folienschlauchs kann beispielsweise durch Falten erfolgen. In diesem Fall wird die gewünschte Kontur quasi nachträglich in einem separaten Bearbeitungsschritt hergestellt. Dagegen können die Einbuchtungen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dem Folienschlauch bei seiner Herstellung aufgeprägt werden, sodass der Folienschlauch in locker aufgeblasenem Zustand eine wellige Schnittkontur aufweist. Diese Schnittkontur muss nicht zwangsläufig, kann aber bevorzugt eine gleichmäßige Wellenform aufweisen. Mit der Formgebung bereits während der Herstellung des Folienschlauchs kann ein separater Nachbearbeitungsschritt zur Herstellung der Falten bzw. Wellen entfallen. Die Herstellung des Schlauches vereinfacht und verbilligt sich dadurch.
Die Formgebung des Folienschlauchs ermöglicht eine gleichmäßige Ausdehnung des Folienschlauchs auch in Eckbereiche von Hohlbauteilen hinein bzw. in Übergangsbereiche von unterschiedlichen Hohlraum-Querschnitten. Durch die Wellenbildung weist er im aufgeblasenen Zustand einen größeren Außendurchmesser auf als der Durchmesser der Innenseite des Formwerkzeugs; der Folienschlauch hat also radial Übergröße bzw. Übermaß.
Ein besonderes Potenzial entfaltet die Erfindung im Bereich der Herstellung von Hohlbauteilen mit Faserverbünden, weshalb auch im Folgenden meist davon die Rede ist. In diesem Falle umfasst der Werkstoff einen Faserverbundwerkstoff mit Faserlagen. Solche Faserlagen zeichnen sich durch eine erhöhte Haftreibung aus, so dass ein Folienschlauch daran nur schlecht entlang gleiten kann. Bei der Faserverbundbauweise ist damit die Gefahr von Ausschussproduktion deutlich erhöht im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie flüssigen Kunststoffen, die beispielsweise an die Innen-Oberfläche des Form-Werkzeugs im Spritzgussverfahren eingespritzt werden.
Bevorzugt wird ein Folienschlauch aus einem Endlosmaterial verwendet. Der Schlauch wird also vorgeformt und üblicherweise auf einer Rolle bereitgestellt. Die erforderlichen Stücke an Folienschlauch können dann individuell – vorab oder im Verlauf des Herstellungsverfahrens – abgelängt werden. Hierdurch kann aus ein und demselben Folienschlauchmaterial eine Vielzahl unterschiedlicher Hohlbauteile mit unterschiedlichen Längen hergestellt werden.
Zur Verbindung von Faserlagen untereinander können vorzugsweise sogenannte Matrizes zwischen den Folienschlauch und die Innen-Oberfläche des Formwerkzeugs eingebracht werden. Matrizes sind Stoffe, die bei erhöhter Temperatur schmelzen (Thermoplaste) oder sich vernetzen (Duroplaste) und sich mit der Oberfläche der Faserlagen verbinden. Die Matrizes dienen als Vermittler zwischen den Faserlagen, mit deren Hilfe das Bauteil zu einem kompakten, blasenfrei geformten Kunststoffkörper „verbacken” werden kann. Außerdem verstärken sie den Gesamtverbund mechanisch.
Durch die Verwendung duroplastischer Kunststoffe wird eine hohe Stabilität des jeweiligen Hohlbauteils gewährleistet. Alternativ können auch – je nach Anwendungsgebiet des herzustellenden Hohlbauteils – duromere und/oder thermoplastische Kunststoffe bzw. keramische Stoffe als Matrizes Verwendung finden. Verbünde mit keramischen Stoffen sind zwar teuer in der Herstellung, doch für Spezialanwendungen mit hohen Anforderungen an Beständigkeit gegenüber unterschiedlichsten Umwelteinflüssen das Mittel der Wahl.
Gemäß einer ersten Variante eines Verfahrens unter Verwendung von Faserlagen mit bereits aufgebrachter Matrix werden diese in das Formwerkzeug eingebracht. Man spricht hierbei von so genannten Pre-Pregs, also Verbünden aus Fasern und Matrizes, die als Fertigverbundrohmaterialen erhältlich sind.
Bei einer anderen Vorgehensweise werden trockene zugeschnittene Faserlagen, so genannte Preforms, und der Folienschlauch in eine Form eingebracht, die verschlossen und einem Druckgefälle unterworfen wird. Anschließend wird eine flüssige Matrix in die Faserlagen eingebracht.
Alternativ hierzu können die Matrizes zwischen den Folienschlauch und die Innen-Oberfläche des Formwerkzeugs eingebracht werden. Dies erfolgt bevorzugt im Rahmen eines Einspritzprozesses, bei dem die üblicherweise erhitzten Matrizes mit Hilfe von Druck bzw. Unterdruck in den Bereich der Faserlagen hineinmigrieren. Derartige Flüssigimprägnierverfahren (LCM: liquid composite moulding), beispeilsweise Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM-Verfahren), werden bevorzugt bei der Fertigung großer Stückzahlen eingesetzt, weil dieser Herstellungsprozess gut automatisierbar ist. Sie kommen auch zum Einsatz, wenn besondere Kombinationen aus Faserlagen und Matrizes notwendig sind, die nicht als Prepregs erhältlich sind, und ggf. um Kosten einzusparen, da Prepregs in der Regel teurer sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Folienschlauch auf seiner Außenoberfläche mit einer Anti-Haftbeschichtung versehen und nach Abschluss des Verfahrens aus dem fertigen Hohlbauteil entfernt und wieder verwendet. Die Anti-Haftbeschichtung erleichtert das Ablösen des Folienschlauchs von der Oberfläche des Hohlraums des Hohlbauteils. Der Schlauch kann aus dem fertigen Hohlbauteil im nicht mehr expandierten bzw. nicht mehr druckbelasteten Zustand leichter herausgezogen und für weitere Produktionen von Hohlbauteilen wieder verwendet werden. Hierdurch lässt sich viel Material für Folienschläuche einsparen, was erst durch die geringere Beanspruchung des Folienschlauchs im erfindungsgemäßen Verfahren möglich wird. Gegebenenfalls kann es vor einem erneuten Einsatz des Folienschlauchs notwendig sein, ihm seine erfindungsgemäße Form durch erneutes Formen wiederzugeben. Dies kann insbesondere bei gefalteten Folienschläuchen erforderlich werden.
Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch einen Folienschlauch der eingangs genannten Art, der so geformt ist, dass er in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Längsstreckung eine Kontur mit einer Vielzahl von über seinen Umfang verteilten in Richtung seiner Längserstreckung verlaufenden Einbuchtungen aufweist. Die Einbuchtungen des Folienschlauchs können dabei durch Faltung und/oder durch Aufprägen geformt werden. Bei Faltungen bilden sich V-förmige Einbuchtungen, während durch Prägungen tendenziell eine wellige Schnittkontur entsteht.
Ein solcher Folienschlauch weist bevorzugt eine Folienstärke von unter 2/10 mm, bevorzugt von unter 1/10 mm auf. Er ist vorzugsweise aus Polyamid oder Polyamidverbindungen gebildet. Bei einer derartigen Folienstärke und/oder bei dieser Materialwahl kann gewährleistet werden, dass der Folienschlauch ausreichende Stabilitäts-, Dehnungs- und Gleiteigenschaften aufweist, um zur Herstellung von Hohlbauteilen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet zu werden ohne zu reißen. Die dünne Folienstärke und/oder das Material Polyamid ermöglichen insbesondere die oben beschriebenen Effekte eines Einschlupfens in Ecken bzw. eines Gleitens über die eigene Folienoberfläche, einer verbesserten Expansionsmöglichkeit bei größeren Hohlraumquerschnitten und einer hohen Flexibilität.
Bevorzugt sind die Folienstärke und das Material des Folienschlauchs weiterhin so ausgebildet, dass er mehrmals für ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für Hohlbauteile verwendbar ist. Hierfür kann er zusätzlich eine Anti-Haftbeschichtung auf seiner Außenoberfläche aufweisen.
Ein derartiger Folienschlauch kann mit drei prinzipiell unterschiedlichen Methoden hergestellt werden: Eine erste Variante sieht eine Ringextrusion und eine Konturierung des Folienschlauchs vor. Der Folienschlauch wird also direkt als schlauchförmiges Gebilde mit Hilfe eines Extrusionsrings gebildet. Dieser Extrusionsring besteht aus einer ringförmigen Ringdüse, aus der geschmolzenes Folienmaterial gepresst wird. Das geschmolzene Material wird mit Hilfe von Druckluft unter Druck gesetzt und dehnt sich dadurch aus. Es bildet sich ein aufgeblasener endloser Folienschlauch aus, der kontinuierlich abgezogen und aufgewickelt werden kann. Der Folienschlauch ist dadurch nahtlos ausgebildet und weist daher keine inhärenten Schwächungsregionen durch Verbindungsstellen auf. Die Konturierung nach einer Ringextrusion erfordert keine nennenswerten aufwändigen Zusatzschritte, sondern kann zumindest im selben Maschinengang unmittelbar anschließend erfolgen.
Eine Konturierung kann auch während der Ringextrusion durch eine Extrusionsdüse erfolgen, die eine Form aufweist, die die Kontur des Folienschlauchs bestimmt. Die Kontur der Ringdüse ist in diesem Fall wellig ausgebildet bzw. weist Ausbuchtungen auf und bestimmt damit die Wellenform des Folienschlauchs. Eine derartige Konturierung simultan mit der Extrusion ist sehr unkompliziert.
Erfindungsgemäß erfolgt ergänzend hierzu die Konturierung durch Prägen, vorzugsweise mit Hilfe von Rollen, die an den Folienschlauch gepresst werden. Die Extrusionsdüse kann in diesem Falle auch eine herkömmliche, runde Düse sein. Bevorzugt wird der noch weiche Folienschlauch während der Abkühlphase geprägt. Geeignete Konturierungswerkzeuge wie beispielsweise Führungsrollen greifen an den möglichst noch heißen und leicht formbaren Folienschlauch an und prägen die gewünschte Kontur im Nachgang zur Ringextrusion in den Folienschlauch ein.
Gemäß einer zweiten Variante kann ein erfindungsgemäßer Folienschlauch mit einem Herstellungsverfahren produziert werden, bei dem ein flaches Folienmaterial konturiert wird und durch Zusammenfügen zweier Langseiten zu einem konturierten Folienschlauch verbunden wird. Ein solches Konturieren, beispielsweise Heißprägen eines Folien-Flachmaterials ermöglicht insbesondere die Herstellung sehr komplexer Konturgeometrien. Beispielsweise kann eine wellige Schnittkontur in ihrer Richtung winklig zur Längsrichtung des Folienschlauchs ausgebildet sein. Sie kann sogar wellig entlang dieser Verlaufsrichtung durchlaufen und/oder unterbrochen sein und/oder entlang der Längsrichtung variiert werden, so dass ein Folienschlauch gebildet werden kann, dessen Konturierung ggf. genau auf den Einsatz zur Herstellung eines bestimmten Bauteils zugeschnitten ist. Auch kann das flache Folienmaterial in seiner Breite quer zur Längsrichtung variiert werden, so dass sich ein Folienschlauch ergibt, der unterschiedliche Querschnitte aufweisen kann. Ein derartiges Herstellungsverfahren ist zwar tendenziell aufwändiger als die oben genannte kontinuierliche Herstellung eines Folienschlauchs, doch es bietet andererseits den Vorteil, dass damit komplexere Schlauchgeometrien und spezielle Konturformen hergestellt werden können.
Eine dritte Variante der Herstellung eines erfindungsgemäßen Folienschlauchs besteht darin, dass ein Rund-Folienschlauch, d. h. ein in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Längserstreckung ein im Wesentlichen rundes, bevorzugt kreisrundes Profil aufweisender herkömmlicher Folienschlauch, von einer Rolle abgewickelt, durch Druck und/oder Vakuum expandiert und dann durch Prägen konturiert wird. Die Konturierung des Rund-Folienschlauchs erfolgt hier bevorzugt durch ein beheiztes Führungswerkzeug, durch das er entlang seiner Längserstreckung geführt wird.
Diese dritte Variante stellt also im Endeffekt eine nachträgliche Konturierung eines herkömmlichen Rund-Folienschlauchs dar, wie er gemäß Stand der Technik bisher im Einsatz war. Der Rund-Folienschlauch wird nach dem Abwickeln von der Rolle durch ein formgebendes Führungswerkzeug gelenkt und so konturiert. Er kann dann entweder wieder auf Rolle aufgewickelt werden oder direkt in einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für Hohlbauteile Verwendung finden.
Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ablaufdarstellung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik,
2 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Folienschlauchs,
3 eine Prinzipdarstellung einer ersten Variante eines Herstellungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Folienschlauch,
4 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Variante eines Herstellungsverfahrens,
5 eine Prinzipdarstellung einer dritten Variante eines Herstellungsverfahrens,
6 eine Prinzipdarstellung einer vierten Variante eines Herstellungsverfahrens.
1 zeigt eine Ablaufdarstellung eines bekannten Herstellungsverfahrens für ein Hohlbauteil. Dabei werden in einem ersten Schritt a Faserlagen 5a, 5b in zwei schalenförmige Werkzeugteile 3a, 3b manuell oder maschinell eingelegt, die gemeinsam ein Formwerkzeug 3 bilden.
In einem zweiten Schritt b werden die Faserlagen 5a, 5b an die Innen-Oberflächen 4a, 4b der Werkzeugteile 3a, 3b mechanisch angeformt, d. h. angepresst und ggf. miteinander verklebt. Meist ist jedoch ein Verkleben nicht notwendig, da vorimprägnierte, beispielsweise mit duroplastischen Matrizes imprägnierte Faserlagen einen gewissen Tack, d. h. eine ausreichende Haftkraft untereinander, aufweisen. Dies gilt insbesondere im vorliegenden Fall, in dem die Faserlagen 5a, 5b als Prepregs ausgebildet sind und daher außer Fasern einen Anteil an Matrizes, d. h. beispielsweise Harzen, aufweisen.
In einem dritten Schritt c wird ein Folienschlauch 1 in das Formwerkzeug 3 eingebracht. Er wird auf der den Oberflächen 4a, 4b entgegengesetzten Seite der Faserlagen 5a, 5b positioniert.
In einem vierten Schritt d wird der Folienschlauch 1 expandiert. Üblicherweise erfolgt die Expansion des Folienschlauchs 1 dann, wenn das Formwerkzeug 3 bereits geschlossen ist, d. h. wenn die Werkzeugteile 3a, 3b miteinander verbunden sind. Aus Anschaulichkeitsgründen – um die Expansionsrichtungen anzudeuten – ist hier eine Darstellung mit geöffneten Werkzeugteilen 3a, 3b gewählt.
Auch der letzte Verfahrensschritt e, das Aufbringen von Druck p und/oder höherer Temperatur ΔT in das Formwerkzeug 3 und damit auf die Faserlagen 5a, 5b erfolgt bei geschlossenem Formwerkzeug 3. In diesem Schritt werden die Faserlagen 5a, 5b unter Zuhilfenahme der darin enthaltenen Schmelzstoffe miteinander „verschmolzen”, so dass ein festes, kompaktes Bauteil entsteht.
Im Formgebungsprozess wirken zwei unterschiedliche Arten von Drücken; einerseits der Druck des Folienschlauchs 1 nur in eine Richtung, nämlich gegen die Oberflächen 4a, 4b des Formwerkzeugs 3, und andererseits der allseitig wirkende Druck p. Der Druck des Folienschlauchs 1 verdichtet die Faserlagen 5a, 5b mitsamt den Schmelzstoffen gegen die Oberflächen 4a, 4b. Dadurch ergibt sich speziell an der äußeren Oberfläche des zukünftigen Bauteils eine glatte Oberfläche. Der allseitig wirkende Druck p dagegen dient dem Aushärten des Materials und wird üblicherweise von einer Temperaturerhöhung ΔT begleitet.
In 2 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Folienschlauchs 1 dargestellt. Statt einer kreisförmigen Außenkontur wie in 1 weist er Einbuchtungen E bzw. damit korrespondierende Auswölbungen W auf. Die Einbuchtungen E können durch permanent formgebende Verfahren wie Prägen eingebracht sein oder durch entsprechendes Falten des Folienschlauchs 1. Mit den Einbuchtungen E und den Auswölbungen W ergeben sich Zotten mit Außenflächen A entlang des Umfangs des Folienschlauchs 1. Sie weisen zwischen den Scheitelpunkten der Einbuchtungen E und den jeweils angrenzenden Auswölbungen W eine Länge L auf. Sie kann bei der Formgebung variiert werden. Wird der Folienschlauch 1 in ein Formwerkzeug 3 mit Faserlagen 5a, 5b eingelegt (vgl. 1), so berührt er zunächst nur im Bereich der Auswölbungen W die Faserlagen 5a, 5b. Beim Expandieren des Folienschlauchs entfalten sich die zwischen den Auswölbungen W liegenden Einbuchtungen E. Sie werden ausgestülpt, ohne dass sich der Folienschlauch 1, insbesondere die bereits anliegenden Enden der Auswölbungen W, entlang der kontaktierten Faserlagen 5a, 5b verschieben muss. Beim Expandieren bietet er ihnen gegenüber nur eine geringe Anlage- bzw. Reibungsfläche, während der Hauptanteil der Anpassungsbewegung des Folienschlauchs 1 durch aneinander Entlanggleiten seiner eigenen Außenflächen A im Bereich der Einbuchtungen E stattfindet. Je größer die Länge L ist, desto mehr Folienmaterial kann entfaltet werden, ohne dass eine Relativbewegung der Auswölbungen W gegenüber den Faserlagen 5a, 5b notwendig würde. Bei geeigneter Materialwahl – bevorzugt wird der Schlauch aus Polyamid hergestellt – und insbesondere bei Verwendung einer Anti-Haftbeschichtung an der Außenfläche A des Folienschlauchs 1 kann dort die Reibung weitgehend reduziert werden. Dies erleichtert das Gleiten und damit eine Expansion des Folienschlauchs 1, so dass er bei komplizierten Bauteilen in alle Ecken des Formwerkzeugs gelangen kann. Dadurch wird der Gefahr eines partiellen Überdehnens oder gar Reißens des Folienschlauchs 1 entgegengewirkt. Ein Übermaß an Folienmaterial ist dagegen schadlos. Es verbleibt als Falte im Inneren des Folienschlauchs 1 und ist damit ohne Auswirkung auf die Faserlagen 5a, 5b.
Da der erfindungsgemäße Folienschlauch 1 wegen seines Übermaßes und seiner Vielzahl an Einbuchtungen E beim Entfalten geringeren Beanspruchungen je Flächeneinheit unterliegt, kann er mit einer dünneren Wandstärke versehen werden. Damit wird nicht nur Folienmaterial eingespart. Wegen der geringeren Foliendicke verbleiben auf der Innenoberfläche des Bauteils an den Falten des Schlauchs auch nur geringere, von der Innenoberfläche abstehende Kanten. Da der Folienschlauch 1 außerdem vielfach gefaltet ist, bilden sich die Kanten im Wesentlichen gleichmäßig verteilt über die gesamte Innenoberfläche aus. Es verbessert sich also die „makroskopische” Ebenheit der Innenoberfläche des Bauteils. Dadurch vereinfachen sich spätere Montageschritte, beispielsweise das Setzen von Nieten, die nicht mehr verkippen.
Die 3 bis 6 zeigen Varianten für Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Folienschlauchs 1.
3 zeigt stark schematisiert die Herstellung eines Folienschlauch 1 mit Hilfe einer Extrusionsdüse 7. Sie ist in der 3a als Detailansicht eines Ausschnitts der Extrusionsdüse 7 vergrößert dargestellt. Die Besonderheit des Verfahrens liegt an der Formgebung der Extrusionsdüse 7, die nicht rund ausgebildet ist, sondern eine wellige, sternförmige Kontur aufweist. Entsprechend erhält auch der Folienschlauch 1 eine analoge Kontur aufgeprägt. Andere Konturen, insbesondere eine wellige Kontur wie in 2 gezeigt, können ebenfalls durch entsprechende Gestaltung der Form der Extrusionsdüse 7 erzielt werden.
Durch die Extrusionsdüse 7 tritt geschmolzenes Extrudat mit einem Auspressdruck p1 aus. Es wird in Pfeilrichtung (3) mit einem Luftdruck p2 geblasen, dessen Wert größer ist als der des außerhalb des Extrudats anliegende Umgebungsdruck p_u. Dadurch bildet sich am Rand der Extrusionsdüse 7 und in dessen Fortsetzung der Folienschlauch 1. Er wird entlang von Führungsrollen 12a, 12b geführt, kühlt sich im weiteren Verlauf des Prozesses ab und erstarrt dadurch. Danach wird der fertige Folienschlauch 1 über eine Umlenkrolle 9 umgelenkt und auf einer Materialrolle 11 als Endlosmaterial aufgerollt.
In 4 wird ein weiteres Verfahren dargestellt, wobei hier im Gegensatz zu 3 eine runde Extrusionsdüse 7' verwendet wird. Zur Formgebung dienen zwei (oder mehr) Führungsrollen 13a, 13b, die den Folienschlauch 1 einerseits führen und andererseits so geformt sind, dass sie ihm vor dem Abkühlen und Aushärten eine Prägung mit Einbuchtungen verleihen. Die Führungsrollen 13a, 13b sind um den gesamten Umfang des Folienschlauchs 1 herum angeordnet, wodurch eine Vielzahl von gleichmäßigen zottenförmigen Prägungen erreicht wird.
5 zeigt eine weitere Variante eines Herstellungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Folienschlauch 1. Von einer Rohmaterialrolle 15 wird ein flaches bahnförmiges Folienmaterial 16 abgerollt und zwischen einer Führungsrolle 19 und einer ihr gegenüberliegenden Formgebungsrolle 17 hindurchgeführt. Die Formgebungsrolle 17 prägt in das Folienmaterial 16 eine Kontur ein, wie sie in 2 dargestellt ist. Danach werden die beiden in Längsrichtung verlaufenden Ränder des Folienmaterials 16 überlappend aneinandergeführt und an einer Verbindungsstation 21 miteinander verbunden. Dies kann zum Beispiel durch Verschweißen oder Verkleben erfolgen. Es entsteht ein Folienschlauch 1, der wiederum auf einer Materialrolle 11 für Endlosmaterial aufgerollt wird.
6 zeigt eine Variante eines Herstellungsverfahrens für einen erfindungsgemäßen Folienschlauch 1 auf Basis eines vorgefertigten Rund-Folienschlauchs 25, der auf einer Materialrolle 23 aufgewickelt vorgelegt wird. Er weist ein kreisrundes Profil K auf, d. h. es handelt sich bei dem Rund-Folienschlauch 25 um einen herkömmlichen Folienschlauch, wie er auch bisher im Stand der Technik zur Herstellung von Hohlbauteilen Verwendung fand. Er wird nun so weiterverarbeitet, dass daraus ein erfindungsgemäßer Folienschlauch 1 entsteht.
Hierzu wird der Rund-Folienschlauch 25 über zwei Führungsrollen 27a, 27b von der Materialrolle 23 abgerollt und mit Hilfe eines Aufblasdrucks Δp_i expandiert. Der expandierte Rund-Folienschlauch 25 wird in ein Führungswerkzeug 29 geführt. Das Führungswerkzeug 29 ist eine eine hohe Temperatur ΔT_f aufweisende Matrize, die im hier dargestellten senkrechten Schnitt aus einem Oberteil 29a und einem Unterteil 29b besteht, im Ganzen jedoch den Folienschlauch zylinderförmig umschließt. Im Führungswerkzeug 29 wird der Rund-Folienschlauch 25 so erhitzt, dass er formbar wird. Es wird ihm eine Kontur gegeben, so dass ein erfindungsgemäßer Folienschlauch 1 entsteht. Der Folienschlauch 1 kann wiederum auf einer Aufwickelrolle 31 aufgewickelt werden. Statt oder zusätzlich zu einer Konturierung in dem Führungswerkzeug 29 kann auch eine Faltung des Rund-Folienschlauchs 25 erfolgen.
Die Aufwickelrolle 31 ist nur dann notwendig, wenn der fertige Folienschlauch 1 nicht direkt in einem Herstellungsverfahren für Hohlbauteile verwendet werden soll, sondern zunächst zwischengelagert wird. Ebenso kann statt einer Aufwicklung auch eine Vereinzelung bzw. ein Ablängen von Teilen des Folienschlauchs 1 erfolgen, beispielsweise mit Hilfe von Stanzen oder Schneidwerkzeugen, so dass bereits vorkonfektionierte Folienschläuche 1 für das Herstellungsverfahren für Hohlbauteile vorliegen. Diese Möglichkeit der Vereinzelung bezieht sich im Übrigen auch auf die zuvor beschriebenen Varianten der Herstellungsverfahren für Folienschläuche 1.
Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen des Folienschlauchs in anderer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
Bezugszeichenliste

1: Folienschlauch
3: Formwerkzeug
3a, 3b: Werkzeugteile
4a, 4b: Innen-Oberflächen
5a, 5b: Faserlagen/Prepregs
7, 7': Extrusionsdüsen
9: Umlenkrolle
11, 23: Materialrollen
12a, 12b, 13a, 13b, 19, 27a, 27b: Führungsrollen
15: Rohmaterialrolle
16: flaches Folienmaterial
17: Formgebungsrolle
21: Verbindungsstation
25: Rund-Folienschlauch
29, 29a, 29b: Führungswerkzeug (Oberteil und Unterteil)
31: Aufwickelrolle
a, b, c, d, e: Verfahrensschritte
p₁: Auspressdruck
p₂: Luftdruck
Pu: Umgebungsdruck
A: Außenfläche
E: Einbuchtungen
K: Profil
L: Länge
W: Auswölbungen
p: Druck
Δpi: Aufblasdruck
ΔT, ΔT_f: höhere Temperatur

Claims

Herstellungsverfahren für Hohlbauteile unter Verwendung eines Folienschlauchs (1) und eines Formwerkzeugs (3), mit folgenden Schritten: a) Einbringen eines Kunststoff-Werkstoffs im Bereich einer Innen-Oberfläche (4a, 4b) des Formwerkzeugs (3), b) Anformen des Werkstoffs an die Innen-Oberfläche (4a, 4b) des Formwerkzeugs (3), c) Einbringen eines Folienschlauchs (1) in das Formwerkzeug (3), so dass der Werkstoff zwischen einer äußeren Oberfläche des Folienschlauchs (1) und dem Formwerkzeug (3) positioniert ist, d) Expandieren des Folienschlauchs (1) mit Hilfe von Druck und/oder Vakuum, e) Einbringen eines Drucks (p) über Atmosphärendruck und/oder Erhitzen des Formwerkzeugs, so dass der Werkstoff ganz oder teilweise geschmolzen und formmäßig an eine Innen-Kontur des Formwerkzeugs (3) und eine Außenkontur des expandierten Folienschlauchs (1) angepasst wird, gekennzeichnet durch Formen des Folienschlauchs (1)) aus einem Endlosmaterial bei dessen Herstellung vor dem Einbringen in das Formwerkzeug (3) in Schritt c) so, dass er in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Längserstreckung eine Kontur mit einer Vielzahl von über seinen Umfang verteilten in Richtung seiner Längserstreckung verlaufenden, aufgeprägten Einbuchtungen (E) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff einen Faserverbundwerkstoff mit Faserlagen (5a, 5b) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschmelzung der Faserlagen (5a, 5b) in Schritt e) Matrizes zwischen den Folienschlauch (1) und die Innen-Oberfläche (4a, 4b) des Formwerkzeugs (3) eingebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet durch duroplastische Kunststoffe als Faserlagen (5a, 5b) und/oder als Matrizes.
Verfahren gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet durch duromere und/oder thermoplastische Kunststoffe und/oder keramische Stoffe als Matrizes.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrizes zusammen mit den Faserlagen (5a, 5b) in das Formwerkzeug (3) eingebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrizes zwischen den Folienschlauch (1) und die Innen-Oberfläche (4a , 4b) des Formwerkzeugs (3) nach Durchführung des Schritts c) eingebracht werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienschlauch (1) mit einer Anti-Haftbeschichtung auf seiner Außenoberfläche versehen wird.
Folienschlauch (1) zur Herstellung von Hohlbauteilen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er so geformt ist, dass er in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Längserstreckung eine Kontur mit einer Vielzahl von über seinen Umfang verteilten in Richtung seiner Längserstreckung verlaufenden, aufgeprägten Einbuchtungen (E) aufweist.
Folienschlauch gemäß Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Anti-Haftbeschichtung auf seiner Außenoberfläche.
Folienschlauch gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, gekennzeichnet durch eine Folienstärke von unter 2/10 mm, bevorzugt unter 1/10 mm.
Folienschlauch gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Polyamid oder Polyamid-Verbindungen gebildet ist.
Folienschlauch gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass seine Folienstärke und sein Material so ausgebildet sind, dass er mehrmals verwendbar ist für ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Herstellungsverfahren für einen Folienschlauch (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch eine Ringextrusion und eine Konturierung des Folienschlauchs (1) durch Prägen.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägen mit Hilfe von Rollen, vorzugsweise Führungsrollen (13a, 13b), erfolgt, die an den Folienschlauch (1) gepresst werden.
Herstellungsverfahren für einen Folienschlauch (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein flaches Folienmaterial (16) konturiert wird und durch Zusammenfügen zweier Langseiten zu einem konturierten Folienschlauch (1) verbunden wird.
Herstellungsverfahren für einen Folienschlauch (1) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rund-Folienschlauch (25), der in einer Schnittebene senkrecht zu seiner Längserstreckung ein im Wesentlichen rundes Profil aufweist, von einer Rolle (23) abgewickelt, durch Druck (Δpi) und/oder Vakuum expandiert und dann durch Prägen konturiert wird.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Rund-Folienschlauch (25) entlang seiner Längserstreckung durch ein beheiztes Führungswerkzeug (29) geführt und dort konturiert wird.