DE102010043401A1

DE102010043401A1 - Verfahren zur Serienfertigung faserverstärkter Kunststoffteile

Info

Publication number: DE102010043401A1
Application number: DE201010043401
Authority: DE
Inventors: Horst Mai; Jörg Theinert; Gunthard Albrecht
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Verfahren zur Serienfertigung faserverstärkter Kunststoffteile mit folgenden Schritten: • Bereitstellen eines geöffneten Formwerkzeugs, welches mindestens zwei relativ zueinander verfahrbare, bei geschlossenem Formwerkzeug eine Formkavität definierende Werkzeughälften aufweist, • Applizieren einer sich um die Formkavität herum erstreckenden Dichtung auf eine Seite einer der Werkzeughälften, wobei die Werkzeughälften sich in einem auseinandergefahrenen Zustand befinden, • Einbringen eines aus Fasermaterial bestehenden Versteifungselements in einen zwischen den auseinandergefahrenen Werkzeughälfte befindlichen Bereich vor oder nach dem Aufbringen der Dichtung, • Zusammenfahren der beiden Werkzeughälften, • Injizieren flüssigen Kunststoffmaterials in die Formkavität, wobei das Versteifungselement mit Kunststoffmaterial durchtränkt wird, • Aushärtenlassen des Kunststoffmaterials, • Auseinanderfahren der Werkzeughälften, • Entnehmen des Kunststoffteils aus dem Formwerkzeug. Vor oder während oder nach jedem Entnehmen eines Kunststoffteils aus dem Formwerkzeug wird die für die Herstellung des Kunststoffteils verwendete Dichtung entfernt und für die Herstellung eines weiteren Kunststoffteils eine neue Dichtung appliziert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Serienfertigung faserverstärkter Kunststoffteile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Faserverstärkte Kunststoffteile können in einem sogenannten RTM-Prozess (Rapid-Transfer-Moulding-Prozess) hergestellt werden. Die Herstellung erfolgt mittels eines Formwerkzeugs, welches mindestens zwei relativ zueinander verfahrbare Werkzeughälften, die im Folgenden auch als Oberwerkzeug und Unterwerkzeug bezeichnet werden, aufweist. Im zusammengefahrenen Zustand definieren die beiden Werkzeughälften eine Formkavität, welche der Form des herzustellenden Kunststoffteils entspricht. in das geöffnete Formwerkzeug wird ein Versteifungselement aus Fasermaterial eingebracht. Anschließend wird das Formwerkzeug geschlossen und flüssiges Kunststoffmaterial in die Formkavität injiziert, wobei das Versteifungselement mit Kunststoffmaterial durchtränkt wird. Bei geschlossenem Formwerkzeug lässt man das Kunststoffmaterial aushärten. Nach dem Aushärten wird das Formwerkzeug geöffnet und das Kunststoffteil kann entnommen werden.
Bei dem RTM-Prozess wird flüssiges Kunststoffmaterial (das z. B. eine Viskosität von ca. 150 mPas aufweist) unter hohem Druck von z. B. 100 bar in das Formwerkzeug injiziert. Um zu verhindern, dass flüssiges Kunststoffmaterial aus dem Trennebenenbereich des Formwerkzeugs austritt, ist eine die Formkavität umschließende Dichtung erforderlich. Bekannt sind Polymerdichtungen, die z. B. in eine an der Oberseite des Unterwerkzeugs vorgesehene Dichtungsnut eingebracht werden und nach oben etwas von der Oberseite des Unterwerkzeugs abstehen. Derartige Dichtungen unterliegen einem sehr hohen Verschleiß. Da während des Formprozesses flüssiges Kunststoffmaterial in der Trennebene des Formwerkzeugs bis unmittelbar an die Dichtung heran gelangt, besteht stets die Gefahr, dass die Dichtung mit Kunststoffmaterial verklebt, welches dann während des Aushärteprozesses aushärtet. Um bei einem nachfolgenden Fertigungszyklus eine einwandfreie Funktionsfähigkeit des Werkzeugs sicherzustellen, muss die Dichtung manuell gereinigt werden, was bei einer Werkzeugtemperatur von mehr als 100°C nicht nur aufwändig, sondern auch gefährlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Serienfertigung faserverstärkter Kunststoffteile anzugeben, bei dem die oben beschriebenen Probleme des Reinigens der Dichtung vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Serienfertigung faserverstärkter Kunststoffteile. Hierfür muss zunächst ein geöffnetes Formwerkzeug bereit gestellt werden, welches mindestens zwei relativ zueinander verfahrbare Werkzeughälften aufweist. Bei geschlossenem Formwerkzeug, d. h. bei zusammengefahrenen Werkzeughälften, definieren die Werkzeughälften eine Formkavität. Zwischen die auseinander gefahrenen Werkzeughälften wird ein aus Fasermaterial bestehendes Versteifungselement eingebracht. Das Versteifungselement kann bereits vorgeformt sein. In diesem Fall spricht man bei dem Versteifungselement von einem Vorformling (Preform).
Anschließend werden die Werkzeughälften zusammengefahren und flüssiges Kunststoffmaterial wird in die Formkavität injiziert, wobei das Versteifungselement mit Kunststoffmaterial durchtränkt wird. Nach einer gewissen Aushärtezeit bei geschlossenem Formwerkzeug werden die Werkzeughälften auseinander gefahren und das Kunststoffteil kann entnommen werden.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, dass man nicht wie bisher mit einer Dichtung arbeitet, die nach jedem Fertigungszyklus gereinigt wird, sondern mit einer sogenannten ”Einmaldichtung”. Unter dem Begriff ”Einmaldichtung” wird eine Dichtung verstanden, die für die Herstellung genau eines einzigen Kunststoffteils verwendet wird. Vor der Herstellung eines Kunststoffteils wird also stets eine neue Dichtung auf eine Seite der beiden Werkzeughälften aufgebracht. Vor, während oder nach dem Entnehmen des Kunststoffteils aus dem Formwerkzeug wird die für die Herstellung des Kunststoffteils verwendete Dichtung entfernt. Anschließend wird für die Herstellung eines weiteren Kunststoffteils stets eine neue Dichtung aufgebracht.
Dies hat den Vorteil, dass es unproblematisch ist, wenn Kunststoffmaterial an die Dichtung gelangt und mit der Dichtung verklebt, da die Dichtung ohnehin nach jedem Fertigungszyklus entfernt und durch eine neue Dichtung ersetzt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist diejenige Werkzeughälfte, auf welche die Dichtung appliziert wird, eine sich um den Bereich der Formkavität herum erstreckende nutartige Vertiefung auf, wobei die Dichtung in die nutartige Vertiefung eingebracht wird. Da die Dichtung nach jedem Fertigungszyklus durch eine neue Dichtung ersetzt wird, kann die nutartige Vertiefung sehr einfach mit einem z. B. muldenartigen Querschnitt hergestellt werden. Aufwändige Nutquerschnitte mit Hinterschnitten, wie sie im Zusammenhang mit den mehrfach verwendeten Dichtungen eingesetzt werden, sind nicht erforderlich. Dadurch vereinfacht sich insgesamt auch die Herstellung des betreffenden Formwerkzeugs.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Dichtung nach jedem Fertigungszyklus automatisiert mittels eines Roboters entfernt und für einen nachfolgenden Fertigungszyklus automatisiert eine neue Dichtung mittels eines Roboters oder in anderer Weise automatisiert aufgebracht.
Als Dichtung kann z. B. eine band- oder schnurartige Dichtung verwendet werden, die sich vorzugsweise um den gesamten Bereich der Formkavität herum erstreckt. Die beiden Enden einer derartigen band- oder schnurartigen Dichtung können bei applizierter Dichtung stumpf aneinander anstehen oder – von der Formkavität nach außen betrachtet – einander ein Stück weit überlappen.
Alternativ zu einer band- oder schnurartigen Dichtung kann auch eine ”Dichtungsraupe” appliziert werden, ähnlich wie man dies von Silikon-Dichtungen aus dem Sanitärbereich kennt. Als Material für die Dichtungsraupe kann ein schnell härtendes Kunststoffmaterial verwendet werden. Insbesondere kann als Material ein Einkomponenten- oder Mehrkomponentenkleber verwendet werden. Als Dichtungsmaterial kann auch ein Heißkleber verwendet werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil derartiger „zähflüssiger Dichtungen” ist darin zu sehen, dass sich deren Dichtungsverhalten „druckproportional verhält. Dies bedeutet, dass mit zunehmendem Fülldruck in der Formkavität das Dichtungsmaterial zunehmend weiter in den durch die Werkzeughälten gebildeten Trennebenenspalt gedrückt wird, was wiederum die Dichtwirkung vergrößert. „Herkömmliche Dichtungen hingegen sind nur bis zu einem ganz bestimmten vorgegebenen Druck dicht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die Werkzeughälften vor dem Injizieren flüssigen Kunststoffmaterials zunächst nicht ganz vollständig zusammengefahren. Erst wenn die Formkavität zu einem Großteil oder vollständig mit flüssigem Kunststoffmaterial befüllt worden ist, werden die Werkzeughälften vollständig zusammengefahren.
Um das Aushärten des Kunststoffmaterials zu beschleunigen, kann eine Werkzeughälfte oder können beide Werkzeughälften beheizt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Ein RTM-Werkzeug gemäß dem Stand der Technik;
2 eine für eine Vielzahl von Fertigungszyklen verwendete Dichtung eines Formwerkzeugs nach dem Stand der Technik;
3 eine Dichtung gemäß der Erfindung.
1 zeigt ein Formwerkzeug (RTM-Werkzeug) 1, welches ein Unterwerkzeug 2 und ein relativ dazu verfahrbar angeordnetes Oberwerkzeug 3 aufweist. Das Oberwerkzeug 3 kann in Richtung des Pfeils 4 relativ zu dem Unterwerkzeug 2 verfahren werden.
Innenseiten 2a, 3a der beiden Werkzeughälften 2, 3 definieren bei geschlossenem Formwerkzeug eine Formkavität.
Zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils wird ein Vorformling 5, der aus Fasermaterial hergestellt ist (z. B. aus Kohlefasern und/oder Glasfasern und/oder Metalldrähten o. ä. hergestellt ist) in das Formwerkzeug 1, d. h. in einen Bereich zwischen den beiden Werkzeughälften 2, 3 eingebracht. Anschließend werden die beiden Werkzeughälften zusammengefahren, wobei das Formwerkzeug 1 zunächst noch nicht ganz vollständig geschlossen wird.
Anschließend wird mittels einer Harzinjektionsanlage 6 flüssiges Kunstharz unter hohem Druck von z. B. 100 bar in die Formkavität injiziert, wobei der Vorformling 5 mit Kunstharz durchtränkt und die Formkavität vollständig mit Kunststoffmaterial befüllt wird.
Um zu verhindern, dass flüssiges Kunststoffmaterial aus der Trennebene 7 (vgl. 2) herausgedrückt wird, ist bei herkömmlichen RTM-Werkzeugen eine sich um die Formkavität herum erstreckende Dichtung 8 vorgesehen. Die Dichtung 8 ist bei dem in 2 gezeigten Formwerkzeug 1 in eine umlaufende Nut 9 des Unterwerkzeugs 2 eingesetzt. Da das Kunststoffmaterial mit sehr hohem Druck in das Formwerkzeug injiziert wird, dringt das Kunststoffmaterial aus dem Bereich der Formkavität 10 in Richtung der Trennebene 7 nach oben bis unmittelbar an die Dichtung 8 heran und verklebt diese. Die Dichtung 8 muss daher nach jedem Fertigungsschritt aufwändig gereinigt werden.
3 zeigt ein Formwerkzeug 1 gemäß der Erfindung, bei dem an einer Oberseite des Unterwerkzeugs eine sich um die Formkavität 10 herum erstreckende muldenartige Vertiefung vorgesehen ist, in die für jeden Fertigungszyklus neu eine Dichtung 11 eingebracht wird. Die Dichtung 11 wird also nur für die Herstellung eines einzigen Kunststoffteils verwendet und nach der Herstellung des Kunststoffteils durch eine neue Dichtung ersetzt.
Die Dichtung 11 steht ein Stück weit über die Trennfläche, welche die einander zugewandten Seiten des Ober- und Unterwerkzeugs definieren, vor. Aufgrund der Elastizität der Dichtung 11 kann diese bei vollständig geschlossenem Werkzeug etwas zusammengedrückt werden und dichtet somit gut ab.
Da die Dichtung 11 beim Öffnen des Formwerkzeugs ohnehin entfernt wird, kann die muldenartige Vertiefung einen sehr einfachen Querschnitt ohne jegliche Hinterschnitte o. ä. aufweisen. Eine derartige einfache muldenartige Vertiefung, wie sie in 3 gezeigt ist, kann somit auch sehr einfach gereinigt werden, sofern dies überhaupt erforderlich ist.

Claims

Verfahren zur Serienfertigung faserverstärkter Kunststoffteile mit folgenden Schritten: • Bereitstellen eines geöffneten Formwerkzeugs (1), welches mindestens zwei relativ zueinander verfahrbare, bei geschlossenem Formwerkzeug (1) eine Formkavität (10) definierende Werkzeughälften (2, 3) aufweist, • Applizieren einer sich um die Formkavität (10) herum erstreckenden Dichtung (11) auf eine Seite einer der Werkzeughälften (2), wobei die Werkzeughälften (2, 3) sich in einem auseinandergefahrenen Zustand befinden, • Einbringen eines aus Fasermaterial bestehenden Versteifungselements (5) in einen zwischen den auseinandergefahrenen Werkzeughälften (2, 3) befindlichen Bereich vor oder nach dem Aufbringen der Dichtung (11), • Zusammenfahren der beiden Werkzeughälften (2, 3), • Injizieren flüssigen Kunststoffmaterials in die Formkavität (10), wobei das Versteifungselement (5) mit Kunststoffmaterial durchtränkt wird, • Aushärtenlassen des Kunststoffmaterials, • Auseinanderfahren der Werkzeughälften (2, 3), • Entnehmen des Kunststoffteils aus dem Formwerkzeug (1), dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während oder nach jedem Entnehmen eines Kunststoffteils aus dem Formwerkzeug (1) die für die Herstellung des Kunststoffteils verwendete Dichtung (11) entfernt und für die Herstellung eines weiteren Kunststoffteils stets eine neue Dichtung (11) appliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Versteifungselement um einen Vorformling (5) handelt, dessen Form im Wesentlichen bereits der Form der Formkavität (10) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Versteifungselement um eine im Wesentlichen ebene Matte aus Fasermaterial handelt, die durch das Zusammenfahren der Werkzeughälften (2, 3) in eine der Form der Formkavität (10) entsprechende Form umgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Werkzeughälfte (2), auf welche die Dichtung (11) appliziert wird, eine sich um den Bereich der Formkavität herum erstreckende nutartige oder muldenartige Vertiefung aufweist, wobei die Dichtung (11) in die Vertiefung eingebracht wird und etwas aus der Vertiefung hervorsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (11) automatisiert mittels eines Roboters aufgebracht und entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtung eine band- oder schnurartige Dichtung verwendet wird, die sich um den gesamten Bereich der Formkavität herum erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die band- oder schnurartige Dichtung zwei Enden aufweist, die bei applizierter Dichtung (11) stumpf aneinander anstehen oder einander, von der Formkavität (10) nach außen betrachtet, ein Stück weit überlappen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtung eine Dichtungsraupe appliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Dichtungsraupe ein schnell aushärtendes Kunststoffmaterial verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtungsmaterial ein Heißkleber verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughälften vor dem Injizieren flüssigen Kunststoffmaterials zunächst nicht vollständig zusammengefahren werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeughälften (2, 3) erst dann vollständig zusammengefahren werden, wenn die Formkavität (10) zu einem Großteil oder vollständig mit flüssigem Kunststoffmaterial befüllt worden ist.
Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Werkzeughälften (2, 3) während des Aushärtenlassens beheizt wird.