DE102012012766B4

DE102012012766B4 - Verfahren sowie Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102012012766B4
Application number: DE102012012766.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Simon; Alexander Schug
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: DE102012012766A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Faserverbundbauteils (16), insbesondere eines CFK-Bauteils, in einem Presswerkzeug (10) mit einem relativ zu einem Gestell (18) axial verfahrbaren Stempel (12), der mit einer darunter angeordneten, axial verschiebbar in dem Gestell (18) geführten Matrize (14) eine zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils (16) erforderliche Kavität bildet, in welchem Verfahren eine Fasermatte (16a) eingelegt, in einem Spannrahmen (24) an den Randbereichen der Kavität gehalten, sodann vorgeformt und gleichzeitig mittels einer, an dem Gestell (18) befestigten Schneideinrichtung (26) äußerlich beschnitten wird und bei dem anschließend ein Harz injiziert und schließlich das Bauteil (16) ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Schnittvorgang gebildete Schnittfläche (16b) des Bauteils (16) durch eine in das Presswerkzeug (10) integrierte, die Schnittfläche (16b) abdeckende Dichtung (28) während des Injizierens des Harzes abgedichtet wird, wobei die Dichtung (28) direkt an der Schnittfläche (16b) anliegt und in eine umlaufende Nut (18a) des Gestells (18) eingesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Faserverbundbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
Zur Herstellung von Faserverbundbauteilen nach dem RTM-Verfahren (Resin transfer moulding) ist es zum Beispiel durch die GB 2 353 246 A bekannt, eine Fasermatte zum Beispiel aus hochfesten Kohlenstofffasern in einem Presswerkzeug dreidimensional vorzuformen, wobei die eingelegte Matte in einem umgebenden Spannrahmen gehalten, anschließend an den Randbereichen fertig beschnitten und schließlich durch Injizieren eines aushärtbaren Harzes fertiggestellt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt insbesondere in dem einheitlichen Fertigungsablauf in dem Presswerkzeug vom Preforming bis zum Aushärten des Bauteils. Kritisch sind jedoch die Randbereiche an dem Faserverbundbauteil, an denen das zunächst flüssige Harz austreten und störende Verunreinigungen in dem Presswerkzeug bilden und/oder eine Nachbearbeitung an dem Faserverbundbauteil erfordern kann.
Aus der GB 2 353 246 A ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Faserverbundbauteils bekannt. Demzufolge wird eine Fasermatte in eine von einem Presswerkzeug begrenzte Formkammer eingelegt. In dem Presswerkzeug erfolgt das Preforming, das Zuschneiden mittels Schneidmesser sowie das Harz-Injizieren über einen Einspritzkanal.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2011 101 954 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Faserverbundbauteils bekannt, bei dem eine Fasermatte in ein Presswerkzeug eingelegt, vorgeformt und gleichzeitig mittels eines Schneidmessers beschnitten wird. Anschließend wird ein Harz injiziert und das Bauteil ausgehärtet.
Durch die DE 10 2007 046 734 A1 ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem nach dem Preforming der Fasermatte an deren Randbereichen eine klebstoffähnliche Dichtung aufgebracht wird, die ein Austreten des flüssigen Harzes verhindern soll. Nach der Fertigstellung des Faserverbundbauteils wird dieses in einem separaten Arbeitsgang derart beschnitten, dass diese mit Klebstoff versetzten Randbereiche entfernt sind.
Generell erfolgt die Herstellung von Bauteilen mit dem RTM-Prozess derzeit durch mehrere Teilschritte, die in verschiedenen Werkzeugen durchgeführt werden, nämlich das Preforming, bestehend aus dem Formen des Bauteils und dem Aktivieren des Binders; das Besäumen der Preform; sowie das Injizieren und Aushärten des Harzes (findet im eigentlichen RTM-Werkzeug statt).
Dadurch ergeben sich die im Folgenden aufgelisteten Nachteile: Durch die vielen Prozessschritte entsteht ein großer Zeitaufwand. Es sind mehrere Werkzeuge für die verschiedenen Prozessschritte notwendig. Für die Aktivierung des Binders muss das Werkzeug erst beheizt und danach gekühlt werden. Der Binder hat einen Einfluss auf die Permeabilität und damit auf die Infiltrierbarkeit des Textils. Die Bauteile müssen nach dem Aushärten noch nachbearbeitet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels der in einem einheitlichen Fertigungsablauf ein Faserverbundbauteil ohne jegliches Nacharbeiten herstellbar ist, wobei gleichmäßig mit Harz durchsetzte Randbereiche mit glatten Schnittflächen erzielbar sind. Ferner soll eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen werden.
Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 5 gelöst. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die durch den Schnittvorgang gebildete Schnittfläche des Bauteils durch eine in das Presswerkzeug integrierte, die Schnittfläche abdeckende Dichtung während des Injizierens des Harzes abgedichtet wird. Es hat sich überraschend gezeigt, dass mit dieser relativ einfachen Maßnahme zuverlässig ein Austreten des flüssigen Harzes und damit verbunden eine Verunreinigung im Presswerkzeug vermieden werden kann und zudem eine extrem homogene Matrix auch in den Randbereichen des Faserverbundbauteils bis zu den äußeren, glatten Schnittflächen herstellbar ist.
Bei dem optimierten RTM-Aufbau kann das Preforming, der Zuschnitt und das Injizieren in einem Werkzeug stattfinden. Das Werkzeug besteht aus einer beweglich gelagerten Matrize, einem Stempel, einer wechselbaren Klinge, einer variablen Spannvorrichtung und einer aufblasbaren Dichtung aus Silikon. Das Textil wird zwischen Stempel und Matrize kompaktiert. Durch eine Abwärtsbewegung der Matrize wird das Textil an der Klinge abgeschert. Am untersten Punkt der Bewegung wird die Kavität über die aufblasbare Dichtung abgedichtet und das Harz wird injiziert. Beim Öffnen des Werkzeugs fördern die Federn die Matrize zurück an die Ausgangsposition.
Der Druck in der aufblasbaren Dichtung kann abhängig vom Injektionsdruck gewählt werden. Da der Spalt sehr klein ist, besteht keine Gefahr, dass die Dichtung herausgedrückt wird.
Dadurch ergeben sich die im Folgenden aufgelisteten Vorteile: Der Einsatz von Binder ist nicht notwendig. Kompaktierung und Zuschnitt finden in einer Schließbewegung des Werkzeugs statt. Damit wird die Zykluszeit verkürzt. Das Werkzeug kann konstant auf der Temperatur gehalten werden, die zum Aushärten des Harzes notwendig ist. Es besteht die Möglichkeit, eine segmentierte Spannvorrichtung einzusetzen, um gleichmäßige Scherwinkel zu erreichen. Die aufblasbare Dichtung wird exakt auf Höhe der Kavität positioniert, wodurch die Racetrackinggefahr minimiert und eine Harzumströmung der Kante möglich ist (weniger Delamination). Es entsteht eine schöne geschlossene Kante. Die Dichtung liegt direkt an der Bauteilkontur an, wodurch keine Bereiche entstehen, die nach dem Aushärten noch entfernt werden müssen. Es gibt keine Beschädigungen, die durch das Ausstanzen des ausgehärteten Bauteils verursacht werden. Das Bauteil, das aus dem Werkzeug kommt, ist komplett fertig und muss nicht mehr nachbearbeitet werden. Kein Verschleiß der Dichtung, der durch die translatorische Bewegung des Werkzeugs verursacht wird, da die Dichtung während der Bewegung keinen Kontakt mit dem Werkzeug hat.
Nachfolgend sind weitere Aspekte der Erfindung im Einzelnen erläutert.
Insbesondere kann die Dichtung unterhalb eines den Beschnitt des Bauteils bewirkenden Schermessers im Presswerkzeug positioniert werden, so dass in einem Pressenhub zunächst der Beschnitt des Bauteils stattfindet und anschließend die Dichtung in Wirkstellung gebracht werden kann.
Als Dichtung kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens eine in das Presswerkzeug eingesetzte Schlauchdichtung verwendet werden, die mit dem Injizieren des Harzes druckbeaufschlagt wird und sich somit hermetisch an die Schnittränder anlegt bzw. diese abdichtet. Der Druck in der Schlauchdichtung kann bevorzugt abhängig vom Einspritzdruck des Harzes gesteuert werden, um ein Abheben der Dichtung zuverlässig auszuschließen.
Eine besonders bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens an einem Presswerkzeug mit einem relativ zu einem Gestell axial verfahrbaren Stempel, der mit einer darunter angeordneten Matrize die zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils erforderliche Kavität bildet, sowie mit einem das Bauteil an den Randbereichen haltenden Spannrahmen besteht darin, dass die Matrize in dem Gestell gegen eine Vorspannkraft axial verschiebbar geführt ist und dass die Dichtung und/oder das Schermesser an dem Gestell angeordnet sind. Die Vorspannkraft ist dabei derart, dass zunächst bei nach unten verfahrendem Stempel die gezielt eingespannte Fasermatte vorgeformt wird. Danach wird die Matrize als Einheit mit dem Stempel weiter verfahren, wobei zunächst der scherende Beschnitt und anschließend die Abdichtung der Schnittränder durch die in Wirkstellung gelangende Dichtung erfolgt. In dieser Position ist die Matrize wieder gestellfest abgestützt und es kann das Harz injiziert und schließlich ausgehärtet werden.
Die Dichtung kann dabei bevorzugt in eine die Matrize umschließende Nut des Gestells des Presswerkzeugs eingesetzt sein, wobei die Nut bzw. die Dichtung in einem unteren Endanschlag der verschiebbaren Matrize die Schnittfläche des Bauteils vollständig abdeckt.
Ferner kann die Dichtung eine Schlauchdichtung sein, die an eine pneumatische oder hydraulische Druckversorgungseinrichtung des Presswerkzeugs angeschlossen ist und die über ein Steuerventil beim Injizieren des Harzes mit Druck beaufschlagbar ist. Die Dichtung legt sich somit nach Erreichen deren Wirkstellung mit definiertem Dichtungsdruck an die Randbereiche des beschnittenen Faserverbundbauteils an und verschließt hermetisch die im Presswerkzeug gebildete Kavität gegen den Austritt des unter Druck injizierten, flüssigen Harzes.
Zur Erzielung eines gleichmäßigen Dichtungsdrucks und einer breiten Abdichtbasis kann die Dichtung im Querschnitt oval mit der längeren Achse parallel zur Schnittfläche des Bauteils ausgeführt sein. Ferner kann die Dichtung aus einem temperaturfesten, verschleißbeständigen Silikon hergestellt sein.
Das ein- oder mehrteilige Schermesser ist die Matrize umschließend am Gestell befestigt und bildet mit dem Außenumfang des eintauchenden Stempels die Schneideinrichtung, bei der besonders glatte Schnittflächen des Faserverbundbauteils ohne Spanbildung und ohne Verquetschungen an den Randbereichen erzielbar sind.
Schließlich kann in einer baulich einfachen, günstigen Konstruktion des Presswerkzeugs die Matrize an gestellfesten Führungsbolzen axial verschiebbar geführt und mittels um die Führungsbolzen angeordnete Schraubendruckfedern mit einer definierten Vorspannkraft gegen den einfahrenden Stempel abgestützt sein. Gegebenenfalls kann aber auch eine pneumatisch oder hydraulisch aufgebrachte Vorspannkraft zweckmäßig sein, insbesondere bei relativ großen, schweren Presswerkzeugen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der grob schematischen Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 in vereinfachter Darstellung einen Schnitt durch ein Presswerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundbauteils in einem ersten Fertigungsschritt mit eingelegter Fasermatte;
2 das Presswerkzeug nach 1 mit zum Vorformen der Fasermatte abgesenktem Stempel;
3 das Presswerkzeug mit dem Fertigungsschritt des Beschnitts des vorgeformten Faserverbundbauteils bei gleichzeitigem Absenken des Stempels und der Matrize;
4 das Presswerkzeug mit bis zu einem Endanschlag abgesenkter Matrize, bei dem die im Presswerkzeug integrierte Schlauchdichtung in Wirkstellung gerät;
5 das nach dem Fertigungsablauf geöffnete Presswerkzeug, aus dem das mit Harz imprägnierte und ausgehärtete Faserverbundbauteil entnehmbar ist; und
6 und 7 eine Einzelheit Z aus 1 mit Darstellung der Schneideinrichtung und der in das Gestell des Presswerkzeugs integrierten Schlauchdichtung zum Beschneiden und Abdichten des Faserverbundbauteils.
In der 1 ist skizzenhaft ein Presswerkzeug 10 dargestellt, das einen axial verfahrbaren Stempel 12 und eine darunter angeordnete Matrize 14 aufweist, zwischen deren einander zugewandten Oberflächen bei geschlossener Position eine Kavität eingearbeitet ist, die zum definierten Vorformen und Ausbilden eines dreidimensionalen Faserverbundbauteils 16 dient. Das Faserverbundbauteil 16 kann zum Beispiel im fertigen Zustand aus Kohlenstofffasern und Epoxydharz als Matrix gebildet sein.
Der Stempel 12 ist zum Beispiel hydraulisch beaufschlagbar in einem Oberteil des nur angedeuteten Gestells 18 verschiebbar angeordnet.
Des Weiteren ist auch die Matrize 14 axial verschiebbar in dem Gestell 18 geführt und wird mittels auf Führungsbolzen 20 aufgesteckten Schraubendruckfedern 22 mit einer definierten Vorspannkraft gegen einen oberen, festen Anschlag im Gestell 18 (nicht dargestellt) vorgespannt.
Ferner ist an dem Gestell 18 des Presswerkzeugs 10 ein umlaufender Spannrahmen 24 vorgesehen, der bei eingelegter Fasermatte 16a (1) über eine absenkbare Betätigungseinrichtung (nicht dargestellt) deren Randbereiche gegen das Gestell 18 mit definierter Anpresskraft vorspannt.
Die Anpresskraft über den Spannrahmen 24 ist so berechnet, dass bei einer Vorformung der Fasermatte 16a, wie in 2 dargestellt ist, die Randbereiche ohne Verletzung der Faserstrukturen nachfließen können. Die auf den Stempel 12 aufgebrachte Presskraft und gegebenenfalls eine Temperaturbeaufschlagung über eine Heizeinrichtung (nicht dargestellt) bewirken das Preforming der Fasermatte 16a innerhalb der gebildeten Kavität.
Gemäß 3 wird der Stempel 12 weiter nach unten verfahren, wobei die Presskraft des Stempels 12 die Vorspannkraft an der Matrize 14 übersteigt und die Matrize 14 analog nach unten verfahren wird.
Dabei wird in einem ersten Abschnitt des Stempelhubs über eine Schneideinrichtung mit einem um die Matrize 14 im Gestell 18 befestigten Schermessers 26 die Fasermatte 16a an ihren Rändern abgeschert, wobei der in das Schermesser 26 eintauchende Stempel 12 mit seinem Außenumfang den Abschervorgang bewirkt.
Sodann wird mit dem weiteren Stempelhub die Matrize 14 in eine untere Endposition verfahren (4), bei der die umlaufende Schnittfläche 16b der Fasermatte 16a (vergleiche insbesondere 6) in Überdeckung mit einer in eine umlaufende Nut 18a des Gestells 18 eingesetzten Schlauchdichtung 28 gerät. Der untere Endanschlag der Matrize 14 kann unmittelbar durch die Führungsbolzen 20 gebildet sein.
Die Schlauchdichtung 28 (6) ist oval ausgeführt, wobei deren längere Achse wie ersichtlich ist parallel zur Schnittfläche 16b der Fasermatte 16a verläuft und somit die aus Silikon gefertigte Schlauchdichtung 28 die Schnittfläche 16b und angrenzende Bereiche des Stempels 12 und der Matrize 14 breitflächig abdeckt.
Bei dem folgenden Fertigungsschritt wird ein mit einem Härter versehenes, flüssiges Harz zur Bildung der Matrix des Faserverbundbauteils 16 in die Kavität zwischen dem Stempel 12 und die Matrize 14 unter hohem Druck injiziert und gegebenenfalls durch Wärmezufuhr ausgehärtet (nicht dargestellt).
Mit dem Injizieren des Harzes wird über eine pneumatische Druckmittelquelle (Pfeil P in der 7) die Schlauchdichtung 28 mit Druck beaufschlagt bzw. aufgeblasen, so dass sich deren Dichtflächen an die Schnittflächen 16b und an die angrenzenden Bereiche des Stempels 12 und der Matrize 14 dicht anlegen. Der Druck kann dabei abhängig vom Einspritzdruck des Harzes gesteuert sein, um zuverlässig ein Abheben der Schlauchdichtung 28 zu vermeiden.
Nach der zumindest teilweisen Aushärtung des Faserverbundbauteils 16 wird die Schlauchdichtung 28 druckentlastet (gegebenenfalls sogar einem negativen Druck ausgesetzt), so dass sich die Schlauchdichtung 28 aus ihrer Dichtposition löst.
Das Presswerkzeug 10 (5) kann dann wieder geöffnet bzw. der Stempel 12 soweit nach oben verfahren werden, dass die Matrize 14 ihre Anfangsposition gemäß 1 einnimmt und das fertige Faserverbundbauteil 16 entnehmbar und eine weitere Fasermatte 16a einlegbar ist.
Durch das beschriebene Verfahren ist zur Fertigung des Faserverbundbauteils kein Binder in der Fasermatte 16a erforderlich. Das Presswerkzeug 10 kann konstant auf einer Temperatur gehalten werden, die zur Aushärtung des injizierten Harzes notwendig ist.
Da die Kompaktierung (Pressvorgang) und der Beschnitt des Bauteils 16 in nur einem Pressenhub vollzogen werden, können kurze Zykluszeiten erreicht werden.
Durch die Verwendung einer bevorzugt aufblasbaren Schlauchdichtung 28 unmittelbar an der Schnittfläche 16b bzw. wird eine glatte, homogene Bauteilkontur erzielt, die keinerlei Nachbearbeitung erfordert. Die Dichtung 28 unterliegt dabei nahezu keinem Verschleiß, da sie während des Hubs der Matrize 14 nicht an dieser anliegt bzw. gegen diese vorgespannt ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Faserverbundbauteils (16), insbesondere eines CFK-Bauteils, in einem Presswerkzeug (10) mit einem relativ zu einem Gestell (18) axial verfahrbaren Stempel (12), der mit einer darunter angeordneten, axial verschiebbar in dem Gestell (18) geführten Matrize (14) eine zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils (16) erforderliche Kavität bildet, in welchem Verfahren eine Fasermatte (16a) eingelegt, in einem Spannrahmen (24) an den Randbereichen der Kavität gehalten, sodann vorgeformt und gleichzeitig mittels einer, an dem Gestell (18) befestigten Schneideinrichtung (26) äußerlich beschnitten wird und bei dem anschließend ein Harz injiziert und schließlich das Bauteil (16) ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Schnittvorgang gebildete Schnittfläche (16b) des Bauteils (16) durch eine in das Presswerkzeug (10) integrierte, die Schnittfläche (16b) abdeckende Dichtung (28) während des Injizierens des Harzes abgedichtet wird, wobei die Dichtung (28) direkt an der Schnittfläche (16b) anliegt und in eine umlaufende Nut (18a) des Gestells (18) eingesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) unterhalb eines den Beschnitt des Bauteils (16) bewirkenden Schermessers (26) im Presswerkzeug (10) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtung eine in das Presswerkzeug (10) eingesetzte Schlauchdichtung (28) verwendet wird, die mit dem Injizieren des Harzes druckbeaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (P) in der Schlauchdichtung (28) abhängig vom Einspritzdruck des Harzes gesteuert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem Presswerkzeug (10) mit einem relativ zu einem Gestell (18) axial verfahrbaren Stempel (12), der mit einer darunter angeordneten, axial verschiebbar in dem Gestell (18) geführten Matrize (14) die zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils (16) erforderliche Kavität bildet, sowie mit einem das Bauteil (16) an den Randbereichen haltenden Spannrahmen (24), dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (14) in dem Gestell (18) gegen eine Vorspannkraft axial verschiebbar geführt ist und dass die Dichtung (28) in eine umlaufende Nut (18a) des Gestells (18) eingesetzt ist und die Schneideinrichtung (26) an dem Gestell (18) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) in eine die Matrize (14) umschließende Nut (18a) des Gestells (18) eingesetzt ist, wobei die Nut (18a) bzw. die Dichtung (28) in einem unteren Endanschlag (20) der verschiebbaren Matrize (14) die Schnittfläche (16b) des Bauteils (16) abdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung eine Schlauchdichtung (28) ist, die an eine pneumatische oder hydraulische Druckversorgungseinrichtung des Presswerkzeugs (10) angeschlossen ist und die beim Injizieren des Harzes mit Druck beaufschlagbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) im Querschnitt oval mit der längeren Achse parallel zur Schnittfläche (16b) des Bauteils (16) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (28) aus Silikon hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ein- oder mehrteilige Schermesser (26) die Matrize (14) umschließend am Gestell (18) befestigt ist und mit dem Außenumfang des eintauchenden Stempels (12) die Schneideinrichtung bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize (14) an gestellfesten Führungsbolzen (20) axial verschiebbar geführt und mittels um die Führungsbolzen (20) angeordnete Schraubendruckfedern (22) mit einer definierten Vorspannkraft gegen den einfahrenden Stempel (12) abgestützt ist.