DE102012010469A1

DE102012010469A1 - Verfahren und Schalenwerkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen

Info

Publication number: DE102012010469A1
Application number: DE201210010469
Authority: DE
Inventors: Willy Dauner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-05-26
Filing date: 2012-05-26
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2032-05-27
Also published as: DE102012010469B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (10), bei welchem aus einem Faserhalbzeug ein Preform-Halbzeug (12) erzeugt und wenigstens bereichsweise mit Kunststoff versehen wird, mit den Schritten: – Einlegen des Faserhalbzeugs in temperierbare Schalenelemente (18, 22) eines Preform-Werkzeugs (20) und Erzeugen des Preform-Halbzeugs (12); – Anordnen des Preform-Halbzeugs (12) gemeinsam mit den Schalenelementen (18, 22) in einem weiteren Werkzeug (28) zum Versehen mit dem Kunststoff; und – Aushärten des Bauteils (10). Außerdem betrifft die Erfindung ein Schalenwerkzeug (20) zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen (10), mit einer Mehrzahl von Schalenelementen (18, 22), von welchen wenigstens eines temperierbar ist, zwischen welchen zur Erzeugung eines Preform-Halbzeugs (12) ein Faserhalbzeug einlegbar und, und welche nach der Erzeugung des Preform-Halbzeugs (12) in wenigstens ein weiteres Werkzeug (28) zum Versehen des Preform-Halbzeugs (12) mit Kunststoff anordenbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Schalenwerkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen.
Der WO 2007 031 660 A1 ist ein Werkzeug und ein Verfahren zur Umformung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen als bekannt zu entnehmen. Das Werkzeug weist zwei relativ zueinander bewegliche Werkzeughälften auf, die bis auf einen eine Kavität des Werkzeugs bildenden Bereich von einer nichtmagnetischen Abschirmschicht umgeben sind. Mittels einer Induktionseinrichtung können Wirbelströme im Bereich der Kavität erzeugt werden, so dass ein sich in der Kavität befindendes Bauteil erwärmt wird. Zudem sind im kavitätsnahen Bereich in den Werkzeughälften Kühlsysteme zur Abkühlung des im Werkzeug befindlichen Bauteils angeordnet.
Nachteilig bei einem solchen Werkzeug ist, dass eine aufwändige Isolierung des Werkzeugs notwendig ist, um eine Induktion des gesamten Werkzeugs zu vermeiden. Eine solche Induktion des Gesamtwerkzeugs wäre einerseits sehr energieintensiv und würde zum anderen aufgrund einer verlängerten Aufheizdauer des gesamten Werkzeugs die Zykluszeiten wesentlich erhöhen.
Die DE 10 2010 022 508 A1 offenbart ein Werkzeug und Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, bei welchem zunächst ein Preform-Halbzeug in eine Formkavität eines Formwerkzeugs eingebracht und ein Matrixmaterial unter Infiltration der Preform-Halbzeug in die auf eine erste vorgegebene Temperatur beheizte Formkavität injiziert wird. Nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials wird die Formkavität auf eine zweite vorgegebene Temperatur erwärmt und das Matrixmaterial ausgehärtet. Eine Werkzeughälfte ist dabei mit einer Heiz- und Kühlvorrichtung versehen, mittels welcher die Temperierung der Formkavität erfolgt. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die Heiz- und Kühlvorrichtung nicht nur die Formkavität alleine, sondern die gesamte Werkzeughälfte temperiert. Zur Temperierung der Formkavität ist folglich ein entsprechend hoher Energiebedarf vonnöten. Aufgrund der Temperierung der gesamten Werkzeughälfte sind entsprechend lange Zykluszeiten unumgänglich. Zudem weist eine solche, mit einer Heiz- und Kühlvorrichtung versehene Werkzeughälfte einen hohen Fertigungsaufwand und infolge dessen auch hohe Werkzeugkosten auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Schalenwerkzeug zu schaffen, welche eine energieeffizientere Herstellung des faserverstärkten Bauteils mit verkürzten Zykluszeiten und mit geringeren Kosten ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Schalenwerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Zur Realisierung einer energieeffizienteren und kostengünstigeren Herstellung von faserverstärkten Bauteilen mit verkürzten Zykluszeiten, bei welchem aus einem Faserhalbzeug ein Preform-Halbzeug erzeugt und wenigstens bereichsweise mit Kunststoff versehen wird, sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren folgende Schritte vorgesehen:

– Einlegen des Faserhalbzeugs in temperierbare Schalenelemente eines Preform-Werkzeugs und Erzeugen des Preform-Halbzeugs;
– Anordnen des Preform-Halbzeugs gemeinsam mit den Schalenelementen in einem weiteren Werkzeug zum Versehen mit dem Kunststoff; und
– Aushärten des Bauteils.

Erfindungsgemäß ist es demzufolge vorgesehen, zur Herstellung des Preform-Halbzeug temperierbare Schalenelemente einzusetzen, welche in das eigentliche Preform-Werkzeug eingelegt werden. Nach der Erzeugung des Preform-Halbzeugs wird anschließend das Gesamtpaket, bestehend aus den Schalenelementen und dem Preform-Halbzeug in das weitere Werkzeug eingelegt, in welchem der Kunststoff eingebracht wird. Durch die Verwendung der Schalenelemente sowohl beim Erzeugen des Preform-Halbzeugs als auch bei dessen Versehen mit Kunststoff wird eine erhebliche Reduzierung der Werkzeugbelegzeiten sowie der für die Bauteilherstellung benötigten Energie zum Temperieren des Preform-Halbzeugs ermöglicht. Die Energieeinsparung kann dabei insbesondere erreicht werden, indem nicht etwa das Werkzeug oder Werkzeughälften temperiert werden, sondern vielmehr die einzulegenden Schalenelemente. Die Schalenelemente ermöglichen eine gezielte Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr zu dem Halbzeug bzw. von dem Halbzeug weg. Unter der Temperierung des Halbzeugs das Erwärmen und/oder das Abkühlen des Halbzeugs durch die Schalenelemente verstanden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Aushärten des Bauteils in einer von dem Werkzeug separaten Temperstation erfolgt. Hierdurch lassen sich die Werkzeugbelegzeiten weiter reduzieren.
Außerdem lässt sich ein besonders energieeffizientes Verfahren schaffen, indem die Wärme zur Temperierung des Preform-Halbzeugs zur Vorwärmung beim Herstellen des Bauteils genutzt wird.
Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile ergeben sich auch bei dem erfindungsgemäßen Schalenwerkzeug.
Dieses zeichnet sich in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch aus, dass wenigstens eines der Schalenelemente eine Öffnung zum Einleiten von Kunststoff in den Bereich des Preform-Halbzeugs aufweist. Dadurch kann das Preform-Halbzeug beim Versehen mit dem Kunststoff von den Schalenelementen umschlossen sein und umschlossen bleiben und muss nicht zeit- und kostenaufwändig aus den Schalenelementen entnommen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Prozessschritts des Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, bei welchem Faserhalbzeug in temperierbare Schalenelemente eines Preform-Werkzeugs eingelegt und ein Preform-Halbzeug erzeugt wird;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Prozessschritts des Verfahrens zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils, bei welchem das Preform-Halbzeug gemeinsam mit den Schalenelementen in einem weiteren Werkzeug zum Versehen mit dem Kunststoff angeordnet werden; und
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des zweiten Prozessschritts.
1 veranschaulicht einen ersten Prozessschritt eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils 10 (2) aus einem Preform-Halbzeug 12 (1). Das Verfahren wird auch als RTM-Prozesskette (RTM – Resin Transfer Moulding) bezeichnet, da das Verfahren auch einen anhand 2 erläuterten Prozessschritt umfasst, in dessen Rahmen ein Spritzpressverfahren (RTM-Verfahren) durchgeführt wird.
Im Rahmen des anhand 1 erläuterten ersten Prozessschritts wird Faserhalbzeug in einem ersten Schritt S1 in einer sogenannten ersten Stammform 14 eines Preform-Werkzeugs 16 angeordnet. Bei dem Faserhalbzeug handelt es sich beispielsweise um ein Fasergewebe oder ein Fasergelege, welches zunächst eine im Wesentlichen flächige zweidimensionale Geometrie aufweist. Wie 1 zu entnehmen ist, wird zeitlich vor der Anordnung des Faserhalbzeugs ein erstes Schalenelement 18 in Form einer Werkzeugschale in die erste Stammform 14 eingelegt. Das erste Schalenelement 18 ist einem Schalenwerkzeug 20 zugeordnet, welches auch eine zweite Werkzeugschale bzw. ein zweites Schalenelement 22 umfasst.
Bei einem zweiten Schritt S2 wird das erste Preform-Werkzeug 16 geschlossen und eine im Wesentlichen dreidimensionale Geometrie des Faserhalbzeugs – zu dem Preform-Halbzeug 12 durch einen definierten Drapierprozess mittels entsprechender Werkzeugelemente 24 des ersten Werkzeugs 16 hergestellt. Mit anderen Worten wird im Rahmen des ersten Prozessschritts das Faserhalbzeug umgeformt, um das Preform-Halbzeug 12 zu erhalten. Der erste Prozessschritt wird daher auch als Preforming-Prozessschritt bezeichnet.
Bei einem dritten Schritt S3 wird nach dem Umformen das zweite Schalenelement 22 aufgebracht, so dass das Preform-Halbzeug 12 zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig, von den Schalenelementen 18, 20 umschlossen wird. Die Schalenelemente 18, 20 sind temperierbar, so dass das Preform-Halbzeug 12 mittels der Schalenelemente 18, 20 temperiert, d. h. erwärmt und/oder gekühlt werden kann. Ferner wird das Preform-Halbzeug 12 beim Schritt S3 nachgepresst und gegebenenfalls auf eine Binderaktivierungstemperatur aufgeheizt. Das Preform-Halbzeug 12 umfasst hierbei zusätzlich zu seinen Fasern auch einen Binder, welcher zum Verfestigen der Fasern dient und für einen Zusammenhalt der Fasern sorgt. Dazu wird der Binder aktiviert, indem das Preform-Halbzeug 12 auf die Binderaktivierungstemperatur erwärmt wird. Diese Erwärmung erfolgt vorliegend mittels des Schalenwerkzeugs 20 im von den Schalenelementen 18, 20 umschlossenen Zustand des Halbzeugs 12. Anschließend wird das Gesamtpaket aus dem umgeformten Halbzeug 12 (Preform) und den Schalenelementen 18, 20 automatisiert mittels eines ersten Roboters 26 aus dem ersten Werkzeug 16 entnommen und in ein zweites Werkzeug 28 (2) eingelegt.
Die Aufheizung auf die Binderaktivierungstemperatur kann gegebenenfalls schon beim zweiten Schritt S2 erfolgen, so dass der dritte Schritt S3 bis auf das Umschließen des Preform-Halbzeugs 12 durch das Schalenwerkzeug 20 entfallen kann. Dies bedeutet, dass die Schalenelemente 18, 20 ab dem Schritt der Binderaktivierung um das Preform-Halbzeug 12 angeordnet werden. Dabei werden die Schalenelemente 18, 20 vorzugsweise um das Preform-Halbzeug 12 gespannt bzw. fixiert.
Mittels des zweiten Werkzeugs 28 wird das Spritzpressverfahren (RTM-Verfahren) als zweiter Prozessschritt durchgeführt. Das zweite Werkzeug 28 umfasst eine zweite Stammform 30 mit zwei Werkzeughälften 32, 34, welche mittels einer Heizeinrichtung beheizbar sein können.
Bei einem vierten Schritt S4 des zweiten Prozessschritts werden die zunächst geöffneten Werkzeughälften 32, 34 geschlossen. Ferner wird das Preform-Halbzeug 12 mittels des Schalenwerkzeugs 20 auf eine sogenannte Harztemperatur oder dergleichen vorgebbaren Temperatur eingestellt.
Bei einem fünften Schritt S5 wird – wie in 2 durch einen Richtungspfeil dargestellt ist – Kunststoff in Form eines Harzes bei geschlossenen Werkzeughälften 32, 34 injiziert, wobei das zunächst trockene Preform-Halbzeug 12, insbesondere dessen Fasern, von dem Harz durchtränkt wird. Die zuvor geschilderte Erwärmung des Preform-Halbzeugs 12 auf die sogenannte Harztemperatur gewährleistet eine sehr gute Fließfähigkeit des flüssigen Harzes, so dass das Halbzeug 12 besonders gut von dem Harz durchtränkt wird.
Im Rahmen des RTM-Verfahrens wird das Halbzeug 12 mittels der Werkzeughälften 32, 34 gepresst und mit einem Druck beaufschlagt. Mit Abschluss der Injektion des Harzes fällt dieser Druck auf den atmosphärischen Druck.
Gegebenenfalls erfolgt bereits beim fünften Schritt S5 die Erwärmung des Preform-Halbzeugs 12 auf eine sogenannte Härtungstemperatur. Diese Härtungstemperatur bewirkt das Aushärten des Harzes, so dass das mit dem Harz imprägnierte Preform-Halbzeug 12 und somit das faserverstärkte Bauteil 10 seine dreidimensionale Geometrie beibehält und eine sehr hohe Steifigkeit aufweist.
Bei einem sechsten Schritt S6 wird das Preform-Halbzeugs 12 mittels eines zweiten Roboters 36 entnommen, wobei es nach wie vor zwischen den Schalenelementen 18, 20 angeordnet und von diesen umschlossen ist.
Das Aushärten kann im zweiten Werkzeug 28 erfolgen. Alternativ und vorzugsweise wird das Gesamtpaket aus dem umgeformten und imprägnierten Halbzeug 12 und den Schalenelementen 18, 20 bei einem siebten Schritt S7 in einer sogenannten Temperstammform 38 einer Temperstation 40 angeordnet. Bei dem siebten Schritt S7 wird das umgeformte und imprägnierte Halbzeug 12 mittels des Schalenwerkzeugs 20 auf die Härtungstemperatur geheizt oder auf der Härtungstemperatur gehalten, wenn die Erwärmung auf die Härtungstemperatur bereits beim fünften Schritt S5 erfolgt oder damit begonnen wird. Die Temperstation 40 dient der geometrischen Stabilisierung während des Aushärtens des Halbzeugs 12 und insbesondere seines Harzes. Da kein Druck von Seiten des Halbzeugs 12 bzw. des faserverstärkten Bauteils 10 auf die Temperstation 40 wirkt, kann diese relativ einfach konstruiert und ausgelegt werden. Das fertige faserverstärkte Bauteil 10 kann sodann entnommen werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des zweiten Prozessschritts. Um die Werkzeugbelegzeiten des zweiten Werkzeugs 28 und somit die Kosten zum Herstellen des faserverstärkten Bauteils 10 besonders gering zu halten, umfasst die Temperstation 40 eine Mehrzahl von Temperstammformen 38, in welchen jeweilige Preform-Halbzeuge 12 bzw. das jeweilige Harz parallel aushärten kann. Dadurch ist eine parallelisierte RTM-Produktion durchführbar, wodurch eine Mehrzahl des faserverstärkten Bauteils 10 hocheffizient, kostengünstig und mit nur sehr geringen Zykluszeiten herstellbar ist. Nach erfolgter Aushärtung kann das Gesamtpaket mit dem Schalenwerkzeug 20 und dem zwischen den Schalenelementen 18, 22 angeordneten, faserverstärkten Bauteil 10 mittels eines dritten Roboters 42 automatisiert entnommen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007031660 A1 [0002]
DE 102010022508 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils (10), bei welchem aus einem Faserhalbzeug ein Preform-Halbzeug (12) erzeugt und wenigstens bereichsweise mit Kunststoff versehen wird, gekennzeichnet durch die Schritte: – Einlegen des Faserhalbzeugs in temperierbare Schalenelemente (18, 22) eines Preform-Werkzeugs (20) und Erzeugen des Preform-Halbzeugs (12); – Anordnen des Preform-Halbzeugs (12) gemeinsam mit den Schalenelementen (18, 22) in einem weiteren Werkzeug (28) zum Versehen mit dem Kunststoff; und – Aushärten des Bauteils (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten des Bauteils (10) durch Temperieren der Schalenelemente (18, 22) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten des Bauteils (10) in einer von dem Werkzeug (28) separaten Temperstation erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Preform-Halbzeugs (12) die Schalenelemente (18, 22) im Preform-Werkzeug (20) temperiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme zur Temperierung des Preform-Halbzeugs (12) zur Vorwärmung beim Herstellen des Bauteils (10) genutzt wird.
Schalenwerkzeug (20) zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen (10), mit einer Mehrzahl von Schalenelementen (18, 22), von welchen wenigstens eines temperierbar ist, zwischen welchen zur Erzeugung eines Preform-Halbzeugs (12) ein Faserhalbzeug einlegbar und, und welche nach der Erzeugung des Preform-Halbzeugs (12) in wenigstens ein weiteres Werkzeug (28) zum Versehen des Preform-Halbzeugs (12) mit Kunststoff anordenbar sind.
Schalenwerkzeug (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Schalenelemente (18, 22) eine Öffnung zum Einleiten von Kunststoff in den Bereich des Preform-Halbzeugs (12) aufweist.