-
Die Erfindung betrifft beim Verfahren zur Herstellung von Preforms zur Weiterverarbeitung zu Faserverbundbauteilen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Die Herstellung von Faserverbundbauteilen geschieht häufig in mehreren Schritten. Besonders beim Einsatz des Resin Transfer Mouldings (RTM) ist es notwendig, eine Vorform (Preform) herzustellen, die in ihrer Geometrie bereits weitgehend dem späteren Bauteil entspricht. Dadurch muss beim Injizieren des Harzes nur noch ein geringes Umformen erfolgen.
-
Die Preform wird aus Stapeln von Fasertextilien gebildet. Zwischen den einzelnen Lagen sind die Fasertextilien mit einem Binder versehen. Diese Stapel von Fasertextilien werden in einem Vorformwerkzeug platziert und innerhalb dieses Vorformwerkzeuges umgeformt. Durch gleichzeitige Wärmebeaufschlagung wird der Binder aufgeschmolzen und verbindet die einzelnen Lagen der Fasertextilien miteinander. Üblicherweise befindet sich der Formhohlraum zur Herstellung einer Preform zwischen einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug.
-
In der Praxis hat sich gezeigt, dass bei hohen Umformgraden bzw. komplexen Geometrien des Preforms der Vorformprozess schwer kontrollierbar ist. Der Hauptgrund ist, dass die übereinander gestapelten Fasertextilien aufeinander gleiten und sich relativ zueinander verschieben. Sie sind weitgehend ungeführt im Werkzeug angeordnet, so dass sich je nach Umformgrad und Geometrie des Vorformlings Falten bilden können. Einzelne Faserbündel können sich in unerwünschter Weise verschieben. Es können sogar Löcher und Risse entstehen.
-
Damit die Fasertextilien kontrolliert in das Werkzeug gleiten, können Spannrahmen verwendet werden. Solche Spannrahmen sind an der Werkzeugaußenseite angeordnet. Sie klemmen das Fasertextil fest. Die Klemmkraft ist so gewählt, dass das Fasertextil beim Schließen des Werkzeuges kontrolliert in das Werkzeug gleitet. Derartige Klemmvorrichtungen werden beispielsweise in der
GB 2 353 246 A offenbart. Die Klemmkraft kann variabel gestaltet werden, indem die Klemmkraft über Gasdruckfedern aufgebracht wird. Der Innendruck der Gasdruckfedern kann beispielsweise verringert werden, wenn der Umformprozess beginnt und später gesteigert werden. Dadurch kann die Reibungskraft zwischen der Klemmvorrichtung und dem Fasertextil an die jeweilige Phase des Umformprozesses angepasst werden.
-
Mit steigendem Umformgrad reicht es jedoch nicht aus, Spannrahmen zu verwenden, da sich die Fasertextilien auch im Inneren des Werkzeuges ungeführt bewegen können und somit dort die gleichen Nachteile auftreten wie im Randbereich eines Umformwerkzeuges.
-
Eine andere Möglichkeit, beim Vorformen die erstrebte Geometrie zu erhalten, wird in der
DE 102 51 581 A1 beschrieben. Es wird vorgeschlagen, die Fasertextilien auf einem Träger mit einer dem späteren Preform entsprechenden Kontur bzw. angepassten Geometrie aufzubringen. Dies führt aber zu einem zusätzlichen Prozessschritt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren aufzuzeigen, das eine auf einfache Weise verbesserte Führung von Fasertextilien in einem Vorformprozess bei komplexen Geometrien und bei hohen Unformgeraden ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Preforms zur Weiterverarbeitung zu Faserverbundbauteilen sieht vor, dass die Preforms unter Verwendung von Fasertextilien und einem Bindemittel sowie unter Druck und Temperatur in einem Formhohlraum zwischen einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug geformt werden. Zusätzlich ist wenigstens ein Drapierhilfsmittel aus einem elastischen Werkstoff vorgesehen. Dieses Drapierhilfsmittel wird vor dem Einbringen eines Fasertextils in den Formhohlraum an dem Fasertextil angebracht oder wenigstens ein solches Drapierhilfsmittel wird in oder an dem Formhohlraum platziert. Denkbar ist auch, dass ein erstes Drapierhilfsmittel an dem Fasertextil, und ein zweites an oder in dem Formhohlraum platziert wird. Das Drapierhilfsmittel wird beim Schließen des Formhohlraums zumindest teilweise zusammengedrückt.
-
Das Drapierhilfsmittel besteht aus einem hoch elastischen Werkstoff. Das Drapierhilfsmittel selbst nimmt an der Formgebung der Preform nicht teil. Es hat lediglich die Funktion das Fasertextil beim Schließen des Formwerkzeugs so zu halten oder beim Nachrutschen zu bremsen, dass sich keine Falten bilden und die übereinander gestapelten Lagen einzelner Fasertextilien ohne verschobene Faserbündel, Löcher oder Risse in dem geschlossenen Formhohlraum geformt werden können.
-
Das Drapierhilfsmittel gibt den Fasertextilien deren Bewegungsrichtung beim Schließen des Werkzeugs vor. Beim Schließen soll das Drapierhilfsmittel die Endkontur der Preform nicht beeinträchtigen. Es muss entsprechend kompressibel sein. Geeignete Werkstoffe für das Drapierhilfsmittel sind Schaumstoffe, Gummi oder andere Elastomere die hinreichend fest sind um das Fasertextil bzw. das Bündel von Fasertextilien beim Schließen des Formwerkzeugs in der gewünschten Position zu halten. Gleichzeitig muss der Werkstoff so nachgiebig sein, dass sich die Fasertextilien nicht verformen bzw. die Endform der Preform beeinträchtigt wird.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird das wenigstens eine Drapierhilfsmittel örtlich begrenzt als Stützblock in das Unterwerkzeug eingelegt um ein übermäßiges Durchbiegen des Fasertextils zu verhindern. Im Stand der Technik wird das Fasertextil üblicher Weise ohne Unterstützung innerhalb des Unterwerkzeugs zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug platziert. Hierbei kann es auf Grund der Tiefe des Unterwerkzeugs durchhängen. Das Material fließt falsch und dadurch nicht wie gewünscht in die Form. Es kommt zu Umformfehlern.
-
Bei einem Block aus flexiblem Material, der auch als Stützelement bezeichnet werden kann, findet das Fasertextil hingegen an wenigstens einer Stelle innerhalb des Unterwerkzeuges eine Unterstützung. Je nach Höhe des Stützblocks kann der Höhenunterschied zwischen der tiefsten Stelle des Unterwerkzeugs und der Schließebene komplett ausgeglichen werden. Die Höhe und Platzierung des Stützblocks hängt von der Geometrie des Werkzeugs ab.
-
Ein weiterer Vorteil ist, dass beim Schließen des Umformwerkzeugs das Oberwerkzeug zunächst dort gegen das Fasertextil stößt, wo es auf dem Stützblock abgestützt ist. Dadurch wird das Fasertextil gewissermaßen zwischen Unterwerkzeug und Oberwerkzeug eingeklemmt. An dieser Stelle, die vorzugsweise mit der tiefsten Stelle des Unterwerkzeugs zusammenfällt, wird das Fasertextil geführt nach unten bewegt. Von den Randbereichen wird das Fasertextil gleichmäßig nachgeführt bzw. es rutscht selbsttätig nach. Dadurch können die Bewegungsrichtungen der einzelnen Fasertextilien besser gesteuert werden.
-
Bei den Fasertextilien handelt es sich vorzugsweise um mehrere Lagen von Fasertextilien. Da dadurch auch mehrere übereinander gestapelte Lagen von Fasertextilien auf die gleiche Art und Weise zwischen dem Oberwerkzeug und dem Stützblock eingeklemmt werden, wird auch ein Verschieben der einzelnen Lagen zueinander unterbunden oder zumindest gehemmt.
-
Weist das Unterwerkzeug eine relativ große laterale Ausdehnung auf und besitzt zwei oder mehrere einander benachbarte Vertiefungen, kann in einer weiteren Ausbildung des Verfahrens vorgesehen sein, dass Drapierhilfsmittel in derjenigen Vertiefung zu platzieren, in welcher beim Schließen des Formhohlraums das Nachrutschen des Fasertextils am stärksten gehemmt werden soll. Mithin ist es bei sehr stark konturierten Unterwerkzeugen besonders vorteilhaft, das Nachrutschen der Fasertextilien dadurch zu steuern, dass in den tiefsten Bereichen Stützen platziert werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Drapierhilfsmittel im Randbereich neben dem Formhohlraum, d. h. außerhalb des Formhohlraums angeordnet. Das Fasertextil wird auf das Drapierhilfsmittel aufgelegt. Das Fasertextil wird beim Schließen des Formhohlraums gegen das Drapiermittel gedrückt. Durch den Kontakt mit dem nachgiebigen Drapiermittel wird künstliche Reibung erzeugt. Das Drapierhilfsmittel wird durch diese Reibung lokal oder insgesamt im Hinblick auf das Nachrutschen in den Formhohlraum gehemmt.
-
Das Drapiermittel kann nur in einem Teil des Randbereiches angeordnet sein. Es kann sich auch im gesamten Randbereich neben und außerhalb des Formhohlraums befinden. Sofern vorstehend die Rede davon ist, dass das Drapierhilfsmittel an dem Formhohlraum platziert ist schließt dies auch ein, dass sich das Drapierhilfsmittel benachbart dem Randbereich des Formhohlraums befindet.
-
Das Drapierhilfsmittel kann dabei so nah im Bereich des Randes des Formhohlraums angeordnet sein, dass sich das Fasertextil unter dem Widerstand des Drapierhilfsmittels um den Rand des Oberwerkzeugs nach oben biegt. Dadurch ist das Fasertextil gezwungen, sich beim Nachrutschen im Bereich des Randes zu verformen. Die dabei auftretende Haftreibung hemmt wiederum das Nachrutschen des Fasertextils in den Formhohlraum und trägt dazu bei, Fehlteile, Faltenbildung, Löcher, Risse oder verschobene Faserbündel zu vermeiden.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, das Drapierhilfsmittel an einer steilen Flanke eines Formhohlraums anzuordnen. Unter einer steilen Flanke des Formhohlraums sind Flächen zu verstehen, die in einem Winkel kleiner als 45° gegenüber der Schließrichtung des Oberwerkzeugs und des Unterwerkzeugs stehen. Im Bereich dieser steilen Flanken ist die Gefahr besonders groß, dass das Fasertextil nachrutscht. Um es am Nachrutschen zu hindern kann im Bereich dieser steilen Flanken eine Fliese aus einem elastischen Werkstoff angebracht werden. Die Anordnung und der Werkstoff sind so gewählt, dass zwischen dem elastischen Werkstoff und dem Fasertextil eine besonders hohe Haftreibung vorliegt und so ein Gleiten des Fasertextils in diesem Bereich verhindert wird. Die Fliese dient mithin ebenfalls als Drapierhilfsmittel.
-
Es sind im Rahmen der Erfindung zwei Gattungen von Drapierhilfsmitteln zu unterscheiden: nämlich einmal solche, bei denen das Drapierhilfsmittel als Abstützmittel dient um ein Durchhängen eines Fasertextils lokal zu unterbinden. Zum anderen kommen Drapierhilfsmittel zum Einsatz, um lokal die Reibung zwischen dem Drapierhilfsmittel und dem Fasertextil zu erhöhen. Die Reibung führt zu einer Bremswirkung, die das Nachrutschen des Fasertextils lokal verhindert.
-
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Preforms die Fasertextilien in der Regel in horizontaler Lage in das Werkzeug eingebracht werden, so dass diese durch die Schwerkraft nach unten gezogen werden, ist es auch vorgesehen, die Drapierhilfsmittel an Flanken des Unterwerkzeugs anzuordnen. Die Erfindung schließt nicht aus, dass Drapierhilfsmittel auch an dem Oberwerkzeug vorgesehen sind. Im Hinblick auf die Reibung erhöhende Anordnung der Drapierhilfsmittel ist es jedoch zweckmäßig, derartige Drapierhilfsmittel insbesondere am Unterwerkzeug zu platzieren.
-
Als elastischer Werkstoff für das Drapierhilfsmittel kommt insbesondere ein Schaumstoff zum Einsatz. Schaumstoffe besitzen ein ausgesprochenes niedriges Raumgewicht und lassen sich mit unterschiedlichen Eindrückhärten herstellen, die individuell auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden können. Schaumstoffe lassen sich insbesondere so stark komprimieren, dass dieser Werkstoff in dieser komprimierten Position keinen Einfluss auf die Endgeometrie der Preform hat. Dadurch lassen sie sich besonders günstig endkonturennahe Preforms herstellen.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es mit relativ geringem Aufwand möglich, Ausschussteile zu reduzieren, indem in einigen Bereichen des Umformwerkzeugs die Reibung in Werkzeug und Werkstück erhöht wird bzw. das Werkstück lokal unterstützt wird um das Nachfließen des Werkstoffes während der Umformung zu optimieren.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in schematischen Zeichnungen dargestellt und Ausführungsbeispielen nachher erläutert.
-
Die 1 bis 4 zeigen in schematischer Darstellung unterschiedliche Ausführungsformen von Umformwerkzeugen zur Herstellung von Preforms, wobei die Figur a) jeweils den Stand der Technik zeigt und die Figuren b) und ggf. c) die Ausführungsform mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Drapierhilfsmittel betrifft.
-
Die 1 zeigt ein Fasertextil 1, dass sich zwischen einem Oberwerkzeug 2 und einem Unterwerkzeug 3 befindet. Das Oberwerkzeug 2 und das Unterwerkzeug 3 sind gegengleich konfiguriert, so dass ein Formhohlraum 4 ausgebildet wird, in welchen das flache Fasertextil 1 in die Geometrie des Vorformlings, d. h. die so genannten Preform gebracht wird. Das Fasertextil ist Vorzugsweise ein Stapel aus mehreren übereinander liegenden Lagen einzelner Fasertextilien. Nachfolgend wird nur von Fasertextil gesprochen. Das Fasertextil 1 ist flexibel und besitzt ein Eigengewicht, das dazu führt, dass das Fasertextil 1 in der Mitte durchhängt. Das liegt daran, dass der Formhohlraum 4 nicht eben ist, sondern eine Vertiefung 5 aufweist. Auf Grund der Tiefe des Unterwerkzeugs 3 kann das Fasertextil 1 falsch fließen und dadurch nicht wie gewünscht umgeformt werden.
-
Zur Lösung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in die Vertiefung 5 des Unterwerkszeugs 3 ein Drapierhilfsmittel 6 in Form eines Stützblockes einzulegen. In 1b) ist zu erkennen, so dass das Fasertextil 1 nicht so stark durchhängt, daher viel flacher ist und vor der Umformung weniger Verwerfungen aufweist. Die Positionierung des Fasertextils 1 ist wesentlich einfacher und kann auch präziser durchgeführt werden.
-
Das Drapierhilfsmittel 6 erstreckt sich vom tiefsten Punkt der Vertiefung 5 etwa bis zur Höhe des in der Bildebene rechten Randes der Vertiefung 5 bzw. des Unterwerkzeuges 3. Dadurch wird der Höhenunterschied zwischen dem oberen Rand des Unterwerkzeugs 3 und den tiefsten Punkt in der Vertiefung 5 ausgeglichen.
-
Das Drapierhilfsmittel 6 besteht aus einem elastischen Werkstoff, insbesondere einem Schaumstoff, der so weich komprimierbar und verformbar ist, dass das Drapierhilfsmittel 6 beim Schließen des Werkzeuges sein Volumen so stark verringert, dass er bei geschlossenem Werkzeug die Endgeometrie der Preform nicht beeinträchtigt.
-
1c) zeigt das Oberwerkzeug 2 und das Unterwerkzeug 3 in geschlossener Position. Es ist zu erkennen, dass das Drapierhilfsmittel 6 so gut wie keinen Raum einnimmt und vollkommen flach gedrückt wird. Da die Preform später noch einmal im Rahmen des RTM-Verfahrens weiter verarbeitet wird, soll die Geometrie der Preform weitestgehend, jedoch nicht vollständig dem späteren Bauteil entsprechen. Die Endgeometrie wird in einem weiteren Umformschritt festgelegt. Daher ist es unerheblich, ob minimale Oberflächenspuren an der Preform verbleiben, bedingt durch das Volumen des komprimierten Drapierhilfsmittels 6.
-
2 zeigt einen weiteren Anwendungsfall bei welchem zwischen einem Oberwerkzeug 2 und einem Unterwerkzeug 3 wiederum ein Fasertextil 1 angeordnet ist. Es ist zu erkennen, dass in dem Formhohlraum 4 eine besonders steile Stufe vorhanden ist, so dass das Fasertextil 1 in Richtung des Pfeils P in die tiefer liegenden Bereiche des Formhohlraums 4 nachrutscht. Das Nachrutschen ist aber unerwünscht, weil dadurch zu viel des Fasertextils 1 in die tiefer liegenden Bereiche gelangt. Dadurch können Falten entstehen.
-
Die Erfindung schlägt zur Lösung dieses Problems vor, im Bereich der Flanke 7 am Unterwerkzeug 3 ein Drapierhilfsmittel 8 anzubringen, so dass die Reibung zwischen dem Fasertextil 1 und der Flanke 7 bzw. dem unteren Umformwerkzeug 3 lokal erhöht (2b). Das Nachrutschen wird gehemmt. Die Faltenbildung bzw. ungleichmäßige Materialverteilung vor dem Schließen des Werkzeugs wird vermieden.
-
3 zeigt eine ähnliche Anordnung eines Oberwerkzeugs 2 und eines Unterwerkzeugs 3 wie in 1. Der Unterschied ist jedoch, dass es zwei voneinander getrennte Vertiefungen 5, 9 gibt. Diese aneinander benachbarten Vertiefungen 5, 9 führen wiederum dazu, dass das Fasertextil 1 stark durchhängt. Die Pfeile P1, P2 zeigen, wie das Fasertextils 1 stetig in den Formhohlraum 4 nachrutscht. Während das Nachführen des Fasertextil 1 in der Bildebene links in die zweite Vertiefung 9 gewünscht ist, um die Konturen der linken Hälfte des Werkzeugs nachzuformen, besteht auf der rechten Seite die Gefahr, dass mehr Material in das Werkzeug rutscht als vorgesehen, so dass sich in dem tiefsten Bereich der Vertiefung 5 Falten bilden und Fehlstellen produziert werden.
-
Zur Lösung dieses Problems zeigt 3b), dass auch in diesem Fall ein Drapierhilfsmittel 10 in die Vertiefung 5 eingesetzt werden kann. Dadurch wird das Nachrutschen in Richtung des Pfeils P2 nicht behindert, allerdings die Faltenbildung im tiefsten Bereich der Vertiefung unterbunden. Ein weiterer Vorteil ist, dass das als Stützblock ausgebildete Drapierhilfsmittel 10 dafür sorgt, dass das Oberwerkzeug 2 das Fasertextil 1 zunächst gegen das Drapierhilfsmittel 10 drückt und dadurch gewissermaßen einklemmt. Durch dieses Einklemmen wird das Fasertextil 1 bei der Abwärtsbewegung des Oberwerkzeugs 2 geführt. Das Nachrutschen erfolgt kontrolliert. Die Faltenbildung am Grund der Vertiefung 5 kann sicher vermieden werden.
-
Die Ausführungsform der 4 zeigt wiederum in 4a) den Ausgangszustand ohne Drapierhilfsmittel. 4 zeigt, dass das Drapierhilfsmittel 11 nicht zwingend innerhalb des Formhohlraums 4 zwischen Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3 angeordnet sein muss, sondern sich auch außerhalb des Oberwerkzeugs 2 mithin außerhalb des Formhohlraums 4 befinden kann. Das Drapierhilfsmittel 11 ist unmittelbar neben dem Rand des Oberwerkzeugs 2 auf dem Unterwerkzeug 3 angeordnet. Wenn sich das Oberwerkzeug 2 dem Unterwerkzeug 3 nähert, wird das Fasertextil 1 nicht nur durch das Eigengewicht sondern zusätzlich durch das Oberwerkzeug im Randbereich gegen das Drapierhilfsmittel 11 gedrückt. 4c) zeigt, dass dabei das in der Bildebene linke Ende des Fasertextils 1 nach oben abgewinkelt wird und zwischen dem Rand 12 und dem Drapierhilfsmittel 11 eingeklemmt wird. Dadurch wird das Nachrutschen des Fasertextils 1 in den Formhohlraum 3 gehemmt bzw. kontrolliert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fasertextil
- 2
- Oberwerkzeug
- 3
- Unterwerkzeug
- 4
- Formhohlraum
- 5
- Vertiefung
- 6
- Drapierhilfsmittel
- 7
- Flanke
- 8
- Drapierhilfsmittel
- 9
- Vertiefung
- 10
- Drapierhilfsmittel
- 11
- Drapierhilfsmittel
- 12
- Ende v. 2
- P
- Pfeil
- P1
- Pfeil
- P2
- Pfeil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- GB 2353246 A [0005]
- DE 10251581 A1 [0007]
