DE102011077463A1

DE102011077463A1 - RTM-Werkzeug mit expandierbarer Dichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen

Info

Publication number: DE102011077463A1
Application number: DE102011077463A
Authority: DE
Inventors: Stefan Huber; Martin Schindlbeck
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: DE102011077463B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug (100) zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, insbesondere zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffformteilen, nach dem RTM-Verfahren, umfassend wenigstens ein erstes Werkzeugteil (110) und wenigstens ein zweites Werkzeugteil (120), die zueinander verfahrbar und in einen geschlossenen Zustand bringbar sind. Es ist vorgesehen, dass in wenigstens einem der Werkzeugteile (110; 120) wenigstens eine expandierbare Dichtung (130b) angeordnet ist, die im geschlossenen Zustand zumindest abschnittsweise eine Abdichtung zwischen dem ersten (110) und dem zweiten (120) Werkzeugteil bewerkstelligt, wobei diese expandierbare Dichtung (130b) wenigstens einen metallischen Dichtkörper (135) aufweist, der an seiner Unterseite mittels eines Druckmediums mit einer definierten Druckkraft (p) beaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, wie insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffformteile (CFK-Formteile), nach dem RTM-Verfahren.
Beim RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) wird ein Fasergewebe bzw. Faserhalbzeug (wie bspw. ein Kohlenstofffasern enthaltendes Fasergewebe) in ein Werkzeug eingelegt, das typischerweise aus einem Unterwerkzeug und einem hierzu verfahrbaren Oberwerkzeug besteht, welche im geschlossenen Zustand wenigstens eine formgebende Werkzeugkavität zwischen sich ausbilden. Nach dem Einlegen des Fasergewebes wird das Werkzeug geschlossen und die Werkzeugkavität wird, gegebenenfalls nach Evakuierung, mit einer Kunststoff- bzw. Harzmasse gefüllt, die sich mit dem eingelegten Fasergewebe verbindet und unter Einwirkung von Druck und Wärme aushärtet. Nach dem Aushärten wird das Werkzeug geöffnet und das auf diese Weise hergestellte faserverstärkte Kunststoffformteil kann entnommen werden. Aus dem Stand der Technik sind auch diverse Variationen des RTM-Verfahrens bekannt.
Zur Abdichtung des Werkzeugs im geschlossenen Zustand kommen typischerweise Dichtungen aus einem Elastomermaterial zum Einsatz, die jedoch wegen der hohen Belastungen nur eine geringe Standzeit haben und die daher regelmäßig ausgewechselt werden müssen, was mit einer Stillsetzung des Werkzeugs, sowie mit Kosten und Aufwand verbunden ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einem Werkzeug der eingangs genannten Art die Abdichtung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem erfindungsgemäßen Werkzeug (RTM-Werkzeug) mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Werkzeugs sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Werkzeug umfasst wenigstens ein erstes Werkzeugteil und wenigstens ein zweites Werkzeugteil, die zueinander verfahrbar sind und die in einen geschlossenen Zustand bringbar sind. In diesem geschlossenen Zustand bilden das erste Werkzeugteil und das zweite Werkzeugteil wenigstens eine formgebende Werkzeugkavität zwischen sich aus, die mit einer Kunststoff- bzw. Harzmasse ausgefüllt werden kann, wie eingangs erläutert. Das erfindungsgemäße Werkzeug dient insbesondere der Herstellung von flächigen faserverstärkten Kunststoffformteilen, wobei es sich z. B. um Karosserieteile für ein Kraftfahrzeug handeln kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in wenigstens einem der Werkzeugteile (d. h. im ersten und/oder im zweiten Werkzeugteil) wenigstens eine expandierbare Dichtung angeordnet ist, die im geschlossenen Zustand zumindest abschnittsweise eine Abdichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil bewerkstelligt, wobei diese expandierbare Dichtung wenigstens einen metallischen Dichtkörper aufweist, der an seiner Unterseite mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist. Die Beaufschlagung des metallischen Dichtkörpers mit einem Druckmedium dient der Aktivierung und/oder dem Anpassen der Dichtfunktion, wie nachfolgend noch näher erläutert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei dem ersten Werkzeugteil um ein oberes Werkzeugteil (Oberwerkzeug) handelt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei dem zweiten Werkzeugteil um ein unteres Werkzeugteil (Unterwerkzeug) handelt. Die expandierbare Dichtung ist bevorzugt im unteren Werkzeugteil des erfindungsgemäßen Werkzeugs angeordnet ist, da sich hier die Zuführung für das Druckmedium zur Beaufschlagung des metallischen Dichtkörpers einfacher gestalten lässt.
Durch das Vorsehen eines metallischen Dichtkörpers kann die Standzeit der Dichtung gegenüber den bislang verwendeten Dichtungen mit einem elastomeren Dichtkörper erheblich verlängert werden. Die Beaufschlagung des metallischen Dichtkörpers mittels eines Druckmediums ermöglicht eine Anpassung der sich einstellenden Dichtwirkung, so dass auch bei zunehmenden Abnutzungserscheinungen eine gleichbleibende Dichtwirkung erzielbar ist. Die Beaufschlagung des metallischen Dichtkörpers mittels eines Druckmediums erlaubt ferner auch ein Aktivieren und Deaktivieren der expandierbaren Dichtung, was bspw. beim Entnehmen des hergestellten faserverstärkten Kunststoffformteils und beim nachfolgenden Reinigen der Werkzeugteile (insbesondere der Werkzeugwirkflächen) von Vorteil ist. Die Möglichkeit zur Deaktivierung der expandierbaren Dichtung ist ferner auch im Hinblick auf die Lebensdauer von Vorteil. Das Druckmedium kann ein pneumatisches oder ein hydraulisches Medium sein.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die expandierbare Dichtung in der von den Werkzeugwirkflächen definierten Trennebene zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil an einem dieser Werkzeugteile angeordnet ist, so dass der metallische Dichtkörper (im geschlossenen Zustand) direkt gegen das andere bzw. gegen das korrespondierende Werkzeugteil abdichtet bzw. abdichten kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass die expandierbare Dichtung im Bereich der Werkzeugwirkfläche an einem unteren Werkzeugteil angeordnet ist, so dass sich der metallische Dichtkörper im geschlossenen Zustand an die Werkzeugwirkfläche eines oberen Werkzeugteils anlegen und dadurch die Werkzeugkavität abdichten kann. Eine übermäßige und möglicherweise schädigende Beaufschlagung der expandierbaren Dichtung wird im Übrigen durch die vom korrespondierenden Werkzeugteil bewerkstelligte Gegenkraft verhindert. Durch geeignete Maßnahmen kann sichergestellt werden, dass die expandierbare Dichtung erst dann mit dem Druckmedium beaufschlagt wird, wenn sich das Werkzeug im geschlossenen Zustand befindet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeugs umfasst die expandierbare Dichtung einen direkt in der Werkzeugwirkfläche an einem der Werkzeugteile ausgebildeten Kanal für das Druckmedium, wobei dieser Kanal von dem metallischen Dichtkörper abgedeckt ist. Der metallische Dichtkörper kann damit über den Kanal direkt oder gegebenenfalls auch indirekt (bspw. über einen Zwischenkörper) mit dem Druckmedium beaufschlagt werden. Der Kanal für das Druckmedium ist z. B. in den zumeist metallischen Grundkörper des betreffenden Werkzeugteils eingefräst.
Bei dieser Ausgestaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass der metallische Dichtkörper im Kanal für das Druckmedium schwimmend gelagert ist und dadurch bezüglich der Werkzeugwirkfläche des betreffenden Werkzeugteils verschiebbar ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein solcher schwimmender Dichtkörper vollständig in den Kanal für das Druckmedium einschiebbar ist und damit nicht mehr von der Werkzeugwirkfläche vorsteht, womit sich die Werkzeugwirkfläche z. B. einfach und schnell reinigen lässt.
Bei dieser Ausgestaltung kann alternativ vorgesehen sein, dass der metallische Dichtkörper als Metallmembran oder Metallverbundmembran ausgebildet ist, die den Kanal für das Druckmedium überspannt. Durch Beaufschlagung mittels des Druckmediums wird die Metall- bzw. Metallverbundmembran elastisch ausgewölbt und kann damit ihre Dichtwirkung entfalten. Die Metall- bzw. Metallverbundmembran kann mit dem Grundkörper des betreffenden Werkzeugteils verklebt und/oder verlötet sein, worüber auch eine Abdichtung des Kanals realisiert werden kann. Ebenso kann die Metall- bzw. Metallverbundmembran auch durch Klemmleisten oder dergleichen fixiert sein. Bevorzugt ist die Metall- bzw. Metallverbundmembran derart am Grundkörper befestigt, dass sich eine kantenfreie Werkzeugoberfläche ergibt, die sich einfach reinigen lässt. Eine Metallmembran kann z. B. aus einem Federstahlmaterial gebildet sein. Eine Metallverbundmembran kann z. B. wenigstens eine Metallschicht und wenigstens eine Elastomerschicht aufweisen.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass der Druckkörper über den Kanal direkt mit Druckmedium beaufschlagt werden kann. Altnativ hierzu kann der metallische Druckkörper auch über wenigstens einen im Kanal angeordneten expandierbaren Druckschlauch indirekt vom Druckmedium beaufschlagt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug kann die expandierbare Dichtung als eine die Werkzeugkavität umlaufende Dichtung ausgebildet sein und mehrere separat mit einem Druckmedium beaufschlagbare Druckkammern umfassen. Ferner kann die expandierbare Dichtung zumindest abschnittsweise einen räumlichen bzw. nicht ebenen Verlauf aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen Figuren beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert.
1a und 1b zeigen in zwei Schnittdarstellungen eine erste Ausführungsform einer expandierbaren Dichtung an einem erfindungsgemäßen Werkzeug.
2a und 2b zeigen in zwei Schnittdarstellungen eine zweite Ausführungsform einer expandierbaren Dichtung an einem erfindungsgemäßen Werkzeug.
3a und 3b zeigen in zwei Schnittdarstellungen eine dritte Ausführungsform einer expandierbaren Dichtung an einem erfindungsgemäßen Werkzeug.
4 zeigt in einer Draufsicht das Unterwerkzeug eines erfindungsgemäßen Werkzeugs, das eine expandierbare Dichtung mit mehreren Kammern aufweist.
1a zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer expandierbaren Dichtung an einem erfindungsgemäßen Werkzeug, gemäß dem in 4 angedeuteten Schnittverlauf A-A. Das Werkzeug 100, wobei es sich um ein RTM-Werkzeug handelt (wie eingangs erläutert), umfasst ein unnachgiebiges Oberwerkzeug 110 mit einer zugehörigen Werkzeugwirkfläche 111 und ein unnachgiebiges Unterwerkzeug 120 mit einer zugehörigen Werkzeugwirkfläche 121. Der dargestellte Ausschnitt zeigt nur den Dichtungsbereich des Werkzeugs 100.
Im Dichtungsbereich ist im Unterwerkzeug 120 eine expandierbare Dichtung 130a angeordnet. Die expandierbare Dichtung 130a umfasst einen metallischen Dichtkörper 131, der schwimmend in einem direkt im Unterwerkzeug 120 ausgebildeten Kanal 132 für ein Druckmedium gelagert ist. Über den Kanal 132 kann der metallische Dichtkörper 131 an seiner Unterseite mittels eines Druckmediums mit einer definierten Druckkraft beaufschlagt werden, womit die expandierbare Dichtung 130a aktiviert und die Dichtfunktion angepasst werden kann, wie nachfolgend erläutert.
1a zeigt das Werkzeug 100 in einem noch nicht geschlossenen Zustand. 1b zeigt das selbe Werkzeug 100 im geschlossenen Zustand, in dem die Werkzeugteile 110 und 120 gegeneinander verriegelt sind. Der von der expandierbaren Dichtung 130a abzudichtende Spalt zwischen dem Oberwerkzeug 110 und dem Unterwerkzeug 120 ist mit S bezeichnet. Zur Aktivierung der Dichtung 130a wird ein im Kanal 132 befindliches Druckmedium, wobei es sich vorrangig um ein hydraulisches Druckmedium handelt, unter Druck gesetzt, was dazu führt, dass auf den schwimmend im Kanal 132 gelagerten metallischen Dichtkörper 131 eine definierte Druckkraft ausgeübt wird (dies ist durch die Pfeile p veranschaulicht), die eine Expansion der Dichtung 132 herbeiführt. Infolge der wirksamen Druckkraft wird der metallische Dichtkörper 131 bezüglich der Werkzeugwirkfläche 121 ausgefahren ist und legt sich direkt an die Werkzeugwirkfläche 111 des korrespondierenden Oberwerkzeugs 110 an, wodurch die Dichtfunktion bewerkstelligt wird. 1b zeigt den dichtenden Zustand mit aktivierter Dichtung 130. Durch Veränderung des Druckniveaus des im Kanal 132 befindlichen Druckmediums kann die Dichtfunktion bzw. die Dichtwirkung angepasst werden. Vor dem Öffnen des Werkzeugs 100 wird das im Kanal 132 befindliche Druckmedium entlastet oder abgelassen (Deaktivierung), was dazu führt, dass der metallische Dichtkörper 131 idealerweise selbsttätig wieder in die in 1a gezeigte Position zurückfährt und nicht mehr über die Werkzeugwirkfläche 121 übersteht.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Kanal 132 direkt durch den metallischen Dichtkörper 131 abgedichtet, wobei die Abdichtung des Kanals 132 auch auf andere Weise bewerkstelligt werden kann. Der metallische Dichtkörper 131 ist durch die dargestellten Anschläge 133 verliersicher im Kanal 132 gehalten.
Die 2a und 2b zeigen eine zweite Ausführungsform einer expandierbaren Dichtung 130b an einem erfindungsgemäßen Werkzeug 100. Nachfolgend werden nur die wesentlichen Unterschiede gegenüber der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform erläutert. Abweichend zu der in den 1a und 1b gezeigten ersten Ausführungsform ist hier als metallischer Dichtkörper eine Metallmembran 135 vorgesehen. Die Metallmembran 135 überspannt den Kanal 132 für das Druckmedium und dichtet gleichfalls den Kanal 132 ab. Die Metallmembran 135 ist derart am Unterwerkzeug 120 befestigt, dass diese im deaktivierten Zustand nicht über die Werkzeugwirkfläche 121 übersteht (siehe 2a). Die dichte Befestigung kann z. B. durch Verkleben, Verschweißen und/oder Verlöten erfolgen. Ferner ist auch eine Befestigung mittels Klemmleisten denkbar, die bspw. auf das Unterwerkzeug 120 aufgeschraubt sind.
Durch Ausüben einer Druckkraft p an der Unterseite der Metallmembran 135, wozu das im Kanal 135 befindliche Druckmedium unter Druck gesetzt wird, wird die expandierbare Dichtung 130b aktiviert. Hierbei erfolgt eine elastisches Auswölbung der Metallmembran 135, wobei sich diese dichtend an die Werkzeugwirkfläche 111 des oberen Werkzeugteils 110 anlegt, wie in 2b dargestellt. Durch Veränderung des Druckniveaus des im Kanal 132 befindlichen Druckmediums kann auch hier die Dichtfunktion bzw. die Dichtwirkung angepasst werden. Vor dem Öffnen des Werkzeugs 100 wird das im Kanal 132 befindliche Druckmedium entlastet oder abgelassen, was dazu führt, dass die Metallmembran 135 aufgrund elastischer Rückstellkräfte wieder die in 1a gezeigte Position einnimmt und nicht mehr über die Werkzeugwirkfläche 121 übersteht.
Die 3a und 3b zeigen eine dritte Ausführungsform einer expandierbaren Dichtung 130c an einem erfindungsgemäßen Werkzeug 100. Nachfolgend werden nur die wesentlichen Unterschiede gegenüber der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform erläutert. Abweichend zu der in den 1a und 1b gezeigten ersten Ausführungsform wird hier der metallische Dichtkörper 131 nicht direkt über den Druckkanal 132 mit einem Druckmedium beaufschlagt, sondern indirekt über einen im Kanal 132 angeordneten Druckschlauch 138. Die Zuführung zum Druckschlauch 138 ist nicht dargestellt. Ein solcher Druckschlauch 138 kann ebenso bei der in den 2a und 2b gezeigten zweiten Ausführungsform einer expandierbaren Dichtung 130b mit einer Metallmembran 135 zum Einsatz kommen.
4 zeigt das Unterwerkzeug 120 in einer Draufsicht mit Blick auf die Werkzeugwirkfläche 121. Die Werkzeugwirkfläche 121 weist einen zur Werkzeugkavität gehörenden Kavitätsabschnitt 122 auf, die von der umlaufenden expandierbaren Dichtung 130 umgeben ist. Im geschlossenen Zustand wird der Kavitätsabschnitt 122 nach außen durch die expandierbare Dichtung 130 abgedichtet. Die expandierbare Dichtung 130 kann gemäß der ersten Ausführungsform (siehe 1a und 1b), der zweiten Ausführungsform (siehe 2a und 2b) oder gemäß der dritten Ausführungsform (siehe 3a und 3b) ausgebildet sein. Die expandierbare Dichtung 130 umfasst mehrere separat mit einem Druckmedium beaufschlagbare Druckkammern 130-1 bis 130-8. Jeder Druckkammer 130-1 bis 130-8 kann ein eigener metallischer Dichtkörper zugeordnet sein. Alternativ kann sich ein metallischer Dichtkörper über mehrere Druckkammern erstrecken. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Dichtung 130 einen einzelnen metallischen Dichtkörper aufweist, der sich dann über alle Druckkammern 130-1 bis 130-8 erstreckt. Die einzelnen Druckkammern 130-1 bis 130-8 können mit oder ohne einen Druckschlauch (138) betätigt werden.
Bezugszeichenliste

100: RTM-Werkzeug
110: Oberwerkzeug
111: Werkzeugwirkfläche
120: Unterwerkzeug
121: Werkzeugwirkfläche
130: expandierbare Dichtung
131: metallischer Dichtkörper
132: Kanal
133: Anschlag
135: Metallmembran (Dichtkörper)
138: Druckschlauch
p: Druckkraft
S: Spalt

Claims

Werkzeug (100) zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, insbesondere zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffformteilen, nach dem RTM-Verfahren, umfassend wenigstens ein erstes Werkzeugteil (110) und wenigstens ein zweites Werkzeugteil (120), die zueinander verfahrbar und in einen geschlossenen Zustand bringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem der Werkzeugteile (110; 120) wenigstens eine expandierbare Dichtung (130, 130a, 130b, 130c) angeordnet ist, die im geschlossenen Zustand zumindest abschnittsweise eine Abdichtung zwischen dem ersten (110) und dem zweiten (120) Werkzeugteil bewerkstelligt, wobei diese expandierbare Dichtung (130, 130a, 130b, 130c) wenigstens einen metallischen Dichtkörper (131; 135) aufweist, der an seiner Unterseite mittels eines Druckmediums mit einer definierten Druckkraft (p) beaufschlagbar ist.
Werkzeug (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die expandierbare Dichtung (130, 130a, 130b, 130c) in der Trennebene zwischen dem ersten (110) und dem zweiten (120) Werkzeugteil an einem dieser Werkzeugteile (110; 120) angeordnet ist, so dass der metallische Dichtkörper (131; 135) direkt gegen das andere Werkzeugteil (120; 110) abdichten kann.
Werkzeug (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die expandierbare Dichtung (130, 130a, 130b, 130c) einen direkt in der Werkzeugwirkfläche (111; 121) in einem der Werkzeugteile (110; 120) ausgebildeten Kanal (132) für das Druckmedium umfasst, wobei dieser Kanal (132) von dem metallischen Dichtkörper (131; 135) abgedeckt ist.
Werkzeug (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Dichtkörper (131) in dem Kanal (132) für das Druckmedium schwimmend gelagert ist.
Werkzeug (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Dichtkörper eine Metallmembran (135) oder eine Metallverbundmembran ist, die den Kanal (132) für das Druckmedium überspannt.
Werkzeug (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Druckkörper (131; 135) direkt vom Druckmedium beaufschlagbar ist.
Werkzeug (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Druckkörper (131; 135) indirekt über wenigstens einen im Kanal (132) angeordneten Druckschlauch (138) vom Druckmedium beaufschlagbar ist.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium ein hydraulisches Medium ist.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die expandierbare Dichtung (130, 130a, 130b, 130c) als eine die Werkzeugkavität (122) umlaufende Dichtung ausgebildet ist und mehrere separat mit einem Druckmedium beaufschlagbare Druckkammern (130-1 bis 130-8) umfasst.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche und insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die expandierbare Dichtung (130, 130a, 130b, 130c) zumindest abschnittsweise einen räumlichen Verlauf aufweist.