DE102012008127A1

DE102012008127A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer faserverstärkten Kunststoffschale

Info

Publication number: DE102012008127A1
Application number: DE201210008127
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2013-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines magnetorheologischen Fluids zur Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff. Dabei kann das Verfahren zur Herstellung der Schale aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Automobilkarosserien, Rotorblätter für Windkraftwerke und dergleichen, durch folgende Schritte gekennzeichnet sein: – Einbringen eines magnetorheologischen Fluids in einen Behälter, dessen eine erste Wandung als eine erste Schalenform der Innenfläche einer herzustellenden Schale gleicht, und Erzeugen eines Magnetfeldes im Fluid, – Entfernen der ersten Wandung von dem aufgrund des Magnetfeldes erstarrten Fluid, – Aufbringen von Fasermaterial auf das erstarrte Fluid und Aufbringen eines aushärtbaren Kunstharzes auf das Fasermaterial, – Entfernen der ersten Wandung, – Aufbringen einer zweiten Wandung als zweite Schalenform, deren Innenfläche der Endform der herzustellenden Schale entspricht, auf die Außenseite des Fasermaterials, und – Abschalten des Magnetfeldes sowie etwa gleichzeitige Erhöhung des Druckes im Fluid und Erwärmen zwecks Aushärten des Kunstharzes. Damit kann eine austomatisierte Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff durchgeführt werden. Mit einem zweiten Verfahren kann die Schale auch ohne ein magnetorheologisches Fluid hergestellt sein. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 7 oder 8.
Karosserien von Kraftfahrzeugen werden heute überwiegend aus Metallblech hergestellt, wobei meist Stahlblech und bei manchen Fahrzeugmustern auch Aluminiumblech verwendet wird. Kunststoffe für Karosserieteile sind wenig bekannt, weil die Herstellung einer Schale aus einem faserverstärkten Kunststoff meist manuell erfolgt, was recht aufwändig ist und das Fahrzeug teuer macht.
Bekannt ist die Verwendung faserverstärkter Kunststoffe zunächst im Segelflugzeugbau für die Herstellung von Tragflügeln und des Rumpfes; neuerdings sind auch motorgetriebene Flugzeuge auf dem Markt, die vollständig oder teilweise aus faserverstärkten Kunststoffen bestehen. Die Herstellung erfolgt meist noch manuell: man legt je in eine untere und eine obere Form das Gewebe oder die Fasern ein, tränkt diese meist manuell mit Kunstharz z. B. mittels Rollen und setzt bestimmte Einbauten ein, wie z. B. einen Trägerholm oder Stangen zur Übertragung von Steuerbewegungen und dergleichen. Danach setzt man beide Formen übereinander, verklebt sie miteinander und erwärmt die beiden Formen, so dass das Kunstharz aushärtet und dem Flügel oder Rumpf seine Endform verleiht. Da der Tragflügel aus strömungsmechanischen und aerodynamischen Gründen eine extrem glatte Oberfläche benötigt, damit die Grenzschicht optimal beeinflusst ist, sind weitere Nacharbeiten auf der Außenfläche erforderlich. Gleichwohl ist eine automatisierte Herstellung nicht gegeben.
Eine ähnliche Herstellung findet auch bei den Rotorblättern statt, die in Windkraftanlagen eingesetzt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen die Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff vereinfacht ist und gegebenenfalls automatisiert durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird betreffend das Verfahren durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Danach wird ausgenutzt, dass magnetorheologische Fluide bei Anlegen eines Magnetfeldes aus einer flüssigen Form oder Gelform in eine feste Form bzw. erstarrte Form überführt werden.
Ein magnetorheologisches Fluid ist ein Gemisch aus einem Hydraulik- oder Mineralöl mit darin suspensierten Metallteilchen, vorzugsweise Eisenteilchen mit einer Kugelform, die sich unter Einfluss eines Magnetfeldes aus einem ungeordneten Zustand in einen geordneten Zustand anordnen, wodurch die Flüssigkeit oder das Gel erstarrt, siehe Wikipedia, Magnetorheologische Flüssigkeiten, Stand 12. April 2012, mit weiteren Hinweisen. Angewendet werden derartige Flüssigkeiten oder derartige Fluide bei Magnetkupplungen, Stoßdämpfern, in der Medizintechnik und bei Haushaltsgeräten. Eine Anwendung für die Herstellung von Schalen aus faserverstärkten Kunststoffen ist nicht beschrieben.
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Automobilkarosserien, Rotorblätter für Windkraftwerke und dergleichen, ist dabei gekennzeichnet durch folgende Schritte:

– Einbringen eines magnetorheologischen Fluids in einen Behälter, dessen eine erste Wandung als eine erste Schalenform der Innenfläche der Schale gleicht, und Erzeugen eines Magnetfeldes im Fluid,
– Entfernen der ersten Wandung von dem aufgrund des Magnetfeldes erstarrten Fluid,
– Aufbringen von Fasermaterial auf das erstarrte Fluid und Aufbringen eines aushärtbaren Kunstharzes auf das Fasermaterial,
– Entfernen der ersten Wandung,
– Aufbringen einer zweiten Wandung als zweite Schalenform, deren Innenfläche der Endform der Schale entspricht, auf die Außenseite des Fasermaterials,
– Abschalten des Magnetfeldes sowie etwa gleichzeitige Erhöhung des Druckes im Fluid und Erwärmen zwecks Aushärten des Kunstharzes.

Dabei ist dafür zu sorgen, dass die Erwärmung, Druckerhöhung im Fluid und Abschalten des Magnetfeldes so erfolgen, dass das mit Kunstharz getränkte Fasermaterial nicht auf Grund seines Gewichtes in das Fluid hineinfällt. Gegebenfalls könnte der Behälter geschwenkt werden, so dass die zweite Schalenform vertikal unten zu liegen kommt, wodurch sich das Fasermaterial aufgrund seines Gewichtes gegen die Innenfläche der zweiten Schalenform anlegt.
Ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Automobilkarosserien, Rotorblätter für Windkraftwerke, Tragflügel oder Rumpfteile für Flugzeuge und dergleichen, ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:

– Einbringen eines Hydraulikfluids in einen Behälter, dessen eine erste Wandung als eine erste Schalenform der Innenfläche der Schale gleicht,
– Aufbringen von Fasermaterial auf die Außenfläche der ersten Wandung und Aufbringen eines aushärtbaren Kunstharzes auf das Fasermaterial,
– Aufbringen einer zweiten Wandung als zweite Schalenform, deren Innenfläche der Endform der Schale entspricht, auf die Außenseite des Fasermaterials und Erhöhung des Druckes im Hydraulikfluid, so dass die im Behälter verschieblich geführte erste Wandung mit dem Fasermaterial gegen die Innenfläche der zweiten Wandung gedrückt wird, und
– Erwärmen zwecks Aushärtung des Kunstharzes.

Dabei kann beim zweiten Verfahren das magnetorheologische Fluid genutzt werden oder auch nicht, weil die erste Schalenform das kunstharzgetränkte Fasermaterial fest- und in Form hält.
In besonders vorteilhafter Weise können als Fasermaterial Glas-, Kohlenstoff- oder Carbon- oder Kevlarfasern in Form von Einzelfasern oder Fasergewebe eingesetzt werden.
Das Fasermaterial kann vor Verarbeitung mit Kunstharz getränkt sein oder das Kunstharz wird nach Aufbringen des Fasermaterials aufgebracht, was manuell oder mittels einer Sprühvorrichtung erfolgen kann.
Als Fasermaterial können auch Faserschnipsel in das Kunstharz eingebracht sein, welches Gemisch auf die Außenfläche der ersten Schalenform aufgespritzt oder gesprüht werden kann.
Die erste Ausgestaltung des Verfahrens kann mit einer ersten Vorrichtung durchgeführt werden, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Behälter vorgesehen ist, in dem ein magnetorheologisches Fluid eingefüllt ist, dass eine erste Wandung als erste Schalenform vorgesehen ist, deren Innenfläche etwa der Außenfläche der herzustellenden Schale entspricht, dass innerhalb des Behälters eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorgesehen ist, dass die erste Schalenform entfernbar ist und eine zweite Schalenform vorgesehen ist, die nach Aufbringen des Fasermaterials auf dieses aufsetzbar ist, so dass nach Temperaturerhöhung, Abschalten des Magnetfeldes und Erhöhung des Druckes im Fluid und Aushärten des Kunstharzes die fertige Schale hergestellt ist.
Das Verfahren nach der zweiten Ausführung kann mittels einer zweiten Vorrichtung durchgeführt werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Behälter vorgesehen ist, in dem eine erste Wandung als erste Schalenform verschiebbar abgedichtet eingesetzt ist, deren Außenfläche etwa der Außenfläche der herzustellenden Schale entspricht und auf die Fasermaterial mit Kunstharz aufbringbar ist, dass der Behälter nach Aufbringen des Fasermaterials mit Kunstharz mittels einer zweiten Schalenform verschließbar ist, deren Innenfläche der Außenfläche der Schale entspricht, und dass innerhalb des Behälters unter Druck setzbares Hydrauliköl eingefüllt ist, so dass die erste Schalenform mit dem Fasermaterial gegen die Innenfläche der zweiten Schalenform drückbar ist.
Bei allen Vorrichtungen sind die mit Kunstharz in Berührung gelangenden Schalenformflächen mit einem Trennmittel beschichtet, damit die Schale nach Aushärten leicht entformt werden kann. Das Vorsehen eines solchen Trennmittels ist an sich bekannt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung kann die Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff deutlich vereinfacht und automatisiert werden.
Je nach der Form der herzustellenden Schale kann das Fasermaterial natürlich auch mittels eines Wickelvorganges aufgebracht werden.
An Hand der Zeichnung, in der zwei Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt sind, sollen die Erfindung, weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem ersten Verfahrensschritt,
2 die Vorrichtung gemäß 1, in einem zweiten Verfahrensschritt
3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung nach der 1 umfasst einen Behälter 10 mit einem Boden 11 und einer Seitenwand 11, an deren Ende ein Flansch 12 angeordnet ist. Im Inneren des Behälters 10 befindet sich eine Vorrichtung 13 zur Erzeugung eines Magnetfeldes innerhalb des Behälters 10. Der Behälter 10 ist mit einer ersten Schalenform 14 druckdicht über einen dem Flansch 12 entsprechenden Flansch 12a verschließbar, deren Innenfläche etwa der Außenfläche einer herzustellenden Schale (s. weiter unten) entspricht. Der Behälter 10 ist mit einem Gemisch 15 aus Öl und Eisenteilchen, d. h. mit einem magnetorheologischen Fluid gefüllt.
Das Gemisch wird nun dem Magnetfeld ausgesetzt, so dass das Gemisch 15 erstarrt und dabei seine Form beibehält. Danach werden die erste Schalenform 14 entfernt und auf das erstarrte Gemisch 15 Fasermaterial 16 aufgelegt und Kunstharz aufgebracht, so dass das Fasermaterial 16 mit dem Kunstharz getränkt werden kann. Wenn dieses schon von vorneherein mit Kunstharz getränkt oder ummantelt ist, ist ein weiteres Tränken mit Kunstharz nicht mehr erforderlich. Danach wird eine zweite Schalenform 17 auf das Fasermaterial 16 aufgelegt, der Behälter 10 damit verschlossen, über eine Druckzuführung 18 dem Gemisch 15 Druck zugeführt und das Magnetfeld abgeschaltet, wobei das Abschalten des Magnetfeldes, die Druckerhöhung und die Erwärmung etwa gleichzeitig erfolgen sollte. Nach Aushärten des Kunstharzes ist das Verfahren abgeschlossen.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in der 3 dargestellt ist, ist ein Behälter 20 vorgesehen, der einen Boden 21 und eine zylinderförmige Seitenwandung 22 aufweist. Innerhalb der Zylinderwandung 22 ist eine erste Schalenform 23 verschiebbar geführt, wobei der Bereich zwischen dem Außenrand der ersten Schalenform 23 und der Innenfläche der Seitenwandung 22 druckdicht ausgeführt ist, ggfs. unter Zwischenfügung einer nicht näher dargestellten Dichtung. Damit die erste Schalenform 23 nicht nach unten fällt, sind an der Innenfläche der Seitenwandung 22 Leisten 27 oder Nasen vorgesehen, auf denen die erste Schalenform 23 aufliegt. Das Innere zwischen dem Boden 21, der Seitenwandung 22 und der ersten Schalenform 23 ist mit Öl, Hydraulik- oder Mineralöl oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit gefüllt, der über eine Zuführung 26 Druck zugeführt werden kann. Als Flüssigkeit könnte auch magnetorheologisches Fluid verwendet werden. Auf die erste Schalenform 23 wird Fasermaterial 24 aufgelegt und der Behälter 20 mittels einer zweiten Schalenform 25, deren Innenfläche der Außenfläche der herzustellenden Schale entspricht, druckdicht verschlossen. Danach wird das Öl oder die Flüssigkeit unter Druck gesetzt, so dass die erste Schalenform 23 mit dem kunstharzgetränkten Fasermaterial 24 gegen die zweite Schalenform 25 gedrückt wird. Mit Temperaturzuführung wird das Kunstharz ausgehärtet und danach ist die Schale fertiggestellt.
Dass zwischen den Schalenformen und dem mit Kunstharz getränkten Fasermaterial Trennmittel vorgesehen sind, ist selbstverständlich.
Bei der Herstellung von beispielsweise Kraftfahrzeugkarosserien wird das Karosserieoberteil in seiner Gesamtheit hergestellt, wobei Aussparungen für Windschutzscheibe oder Heckscheibe und Türen nachträglich eingeschnitten werden. Das Unterteil einer Karosserie wird ebenfalls in Gesamtheit ohne Aussparungen hergestellt; die Aussparungen werden nachträglich eingeschnitten. Das Oberteil wird dann mit dem Unterteil verklebt, wodurch die Karosserie hergestellt ist. Mit anderen Worten: das Dach der Kunststoffkarosserie wird mit dem Unterboden verklebt.

Claims

Verwendung eines magnetorheologischen Fluids zur Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff.
Verfahren zur Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Automobilkarosserien, Rotorblätter für Windkraftwerke und dergleichen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Einbringen eines magnetorheologischen Fluids in einen Behälter, dessen eine erste Wandung als eine erste Schalenform der Innenfläche einer herzustellenden Schale gleicht, und Einbringen eines Magnetfeldes in das Fluid, – Entfernen der ersten Wandung von dem aufgrund des Magnetfeldes erstarrten Fluid, – Aufbringen von Fasermaterial auf das erstarrte Fluid und Aufbringen eines aushärtbaren Kunstharzes auf das Fasermaterial, – Entfernen der ersten Wandung, – Aufbringen einer zweiten Wandung als zweite Schalenform, deren Innenfläche der Endform der herzustellenden Schale entspricht, auf die Außenseite des Fasermaterials, und – Abschalten des Magnetfeldes sowie etwa gleichzeitige Erhöhung des Druckes im Fluid und Erwärmen zwecks Aushärten des Kunstharzes.
Verfahren zur Herstellung einer Schale aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Automobilkarosserien, Rotorblätter für Windkraftwerke und dergleichen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Einbringen eines Hydraulikfluids in einen Behälter, dessen eine erste Wandung als eine erste Schalenform der Innenfläche einer herzustellenden Schale gleicht, – Aufbringen von Fasermaterial auf die Außenfläche der ersten Wandung und Aufbringen eines aushärtbaren Kunstharzes auf das Fasermaterial, – Aufbringen einer zweiten Wandung als zweite Schalenform, deren Innenfläche der Endform der Schale entspricht, auf die Außenseite der Fasern und Erhöhung des Druckes im Hydraulikfluid, so dass die im Behälter verschieblich geführte erste Wandung mit dem Fasermaterial gegen die Innenfläche der zweiten Wandung gedrückt wird, und – Erwärmen zwecks Aushärtung des Kunstharzes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasermaterial Glas-Kohlenstoff oder Carbon- oder Kevlarfasern eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial vor Verarbeitung mit Kunstharz getränkt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial als Faserschnipsel in das Kunstharz eingebracht ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter vorgesehen ist, in dem ein magnetorheologisches Fluid eingefüllt ist, dass eine erste Wandung als erste Schalenform vorgesehen ist, deren Innenfläche etwa der Außenfläche der herzustellenden Schale entspricht, dass innerhalb des Behälters eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes vorgesehen ist, dass die erste Schalenform entfernbar ist und eine zweite Schalenform vorgesehen ist, die nach Aufbringen des Fasermaterials auf dieses aufsetzbar ist, so dass nach Temperaturerhöhung, Abschalten des Magnetfeldes und Erhöhung des Druckes im Fluid und Aushärten des Kunstharzes die fertige Schale hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter vorgesehen ist, in dem eine erste Wandung als erste Schalenform verschiebbar abgedichtet eingesetzt ist, dessen Aussenfläche etwa der Außenfläche der herzustellenden Schale enspricht und auf die Fasermaterial mit Kunstharz aufbringbar ist, dass der Behälter nach Aufbringen des Fasermaterials mit Kunstharz mittels einer zweiten Schalenform verschließbar ist, deren Innenfläche der Außenfläche der Schale entspricht, und dass in den Behälter unter Druck setzbares Hydrauliköl eingefüllt ist, so dass die erste Schalenform mit dem Fasermaterial gegen die Innenfläche der zweiten Schalenform drückbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dass die mit Kunstharz in Berührung gelangenden Schalenformflächen mit einem Trennmittel beschichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Aushärten des Kunstharzes erzeugende Temperatur bereitstellender Ofen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wickelvorrichtung vorgesehen ist, mit der das Fasermaterial je nach Form der herzustellenden Schale durch einen Wickelvorgang aufbringbar ist.