DE102012104316A1

DE102012104316A1 - Verfahren zur Fertigung eines Bauteils

Info

Publication number: DE102012104316A1
Application number: DE201210104316
Authority: DE
Inventors: Thomas Bayerl; Markus Brzeski; Karsten Grebel; Peter Mitschang; Erhard Natter
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Bei einem Verfahren zur Fertigung eines Bauteils aus einem Faserverbundmaterial in einem formgebenden Werkzeug, das zu öffnen sowie zu schließen und temperierbar ist, wird das Faserverbundmaterial als Halbzeug in das Werkzeug eingelegt und selektiv mit Druck und/oder Temperatur derart beaufschlagt, dass über die Bauteildicke unterschiedliche Strukturen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften eingestellt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils aus einem Faserverbundmaterial in einem formgebenden Werkzeug.
Bei der Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mit einer Sandwichstruktur werden nach dem Stand der Technik zwei Deckschichten und mindestens ein Kern miteinander verbunden. Diese Komponenten der Sandwichstruktur werden zunächst unabhängig voneinander hergestellt und anschließend miteinander verbunden, wobei die einzelnen Fertigungsschritte in der Summe sowohl zeit- als auch kostenintensiv sind. Besonders kostenintensiv herstellbar sind insbesondere druckfeste Kerne, die beispielsweise Wabenstrukturen umfassen und/oder aus einem geschäumten Material gefertigt sind. Auch die als Gewirke oder Gelege ausgebildeten Textilstrukturen, die in den Deckschichten zur Anwendung kommen, werden in aufwendigen Näh- bzw. Stickprozessen gefertigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem eine Art Sandwichbauteil in einem Prozessschritt zu fertigen ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Bei einem Verfahren zur Fertigung eines Bauteils aus einem Faserverbundmaterial in einem formgebenden Werkzeug, das zu öffnen sowie zu schließen und temperierbar ist, wird das Faserverbundmaterial als Halbzeug in das Werkzeug eingelegt und selektiv mit Druck und/oder Temperatur derart beaufschlagt, dass über die Bauteildicke unterschiedliche Strukturen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften eingestellt werden.
Durch die selektive Konsolidierung bzw. Aushärtung ist es möglich, in einem Fertigungsschritt ein Bauteil mit unterschiedlichen Materialeigenschaften zu erzeugen, die über die Dicke des Bauteils vorliegen. Es ist demnach nicht erforderlich, wie es von einem Sandwichmaterial nach dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise mindestens eine Kernschicht mit beidseitigen Deckschichten zu verbinden, wobei die unterschiedlichen Schichten separat zu fertigen sind. Im Weiteren werden Trenn- bzw. Verbindungsschichten zwischen der Kernschicht und den Deckschichten vermieden, die bei bekannten Sandwichbauteilen vorhanden sind, wobei sich die Trennschichten negativ auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils auswirken. Darüber hinaus sind auch komplexe Bauteilgeometrien mittels der selektiven Prozessführung in einem Verarbeitungsschritt herstellbar.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein unverdichtetes Halbzeug im festen Zustand dem Verarbeitungsprozess zugeführt, d. h. in das formgebende Werkzeug eingelegt. In einem festen Zustand befindet sich das aus einem Faserverbundkunststoff bestehende Halbzeug mit einem thermoplastischen Matrixmaterial unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials. Ein duroplastisches Matrixmaterial ist unvernetzt und das Halbzeug wird vorzugsweise im tiefgekühlten Zustand in das Werkzeug eingelegt. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen und das Halbzeug oberflächig erwärmt, beispielsweise durch Kontaktheizung über die Oberflächen des Werkzeugs. Hierbei erwärmt sich das Halbzeug in seinem Kernbereich weniger als an seinen Oberflächen, die die Werkzeugoberflächen kontaktieren. Das Werkzeug verdichtet nun das Halbzeug, wobei die wärmeren Bereiche des Halbzeugs, also dessen Oberflächen, erweichen und weniger Widerstand gegen die durch das Werkzeug einwirkenden Kräfte aufbringen und somit stärker verdichtet werden als die weniger erwärmten Bereiche des Halbzeugs, beispielsweise in dessen Kern. Nach der Verdichtung wird bei einem Halbzeug mit einem thermoplastischen Matrixmaterial ein Kühlvorgang eingeleitet und der Verdichtungsprozess endet. Bei einem Halbzeug mit einem duroplastischen Matrixmaterial erfolgt nach dem Verdichten eine Vernetzung unter Temperatureinwirkung. Beim Kühlen bzw. Vernetzen wird der auf das Halbzeug wirkende Druck konstant gehalten, wobei sich die entsprechenden Temperaturen über die Dicke des Halbzeuges derart verteilen, dass sie den Kern des Halbzeuges erst dann erreichen, wenn bereits eine Verfestigung der oberflächennahen Schichten stattgefunden hat. Demzufolge ist das fertige Halbzeug, das dem Werkzeug entnommen wird, selektiv verdichtet. D. h. zwischen den höher verdichteten Oberflächen des Halbzeuges befindet sich ein weniger verdichteter Kern, sodass das Halbzeug eine sandwichartige Struktur ohne ausgeprägte Trennschichten zwischen den Oberflächen und dem Kern aufweist.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Halbzeug dem Verarbeitungsprozess verdichtet zugeführt, also bereits kompaktiert in das Werkzeug eingelegt und anschließend in dem geschlossenen Werkzeug oberflächig erwärmt, beispielsweise durch Kontaktheizung über die an dem Halbzeug anliegenden Werkzeugoberflächen. Hierbei erwärmt sich das Halbzeug in seinem Kernbereich weniger als an seinen Oberflächen. Wird das Werkzeug nun um eine bestimmte Distanz geöffnet, expandiert das Halbzeug aufgrund innerer Rückstellkräfte, wobei die wärmeren Bereiche, also die Oberflächen des Halbzeugs weniger Widerstand gegen eine Verformung aufbringen und stärker expandieren als der demgegenüber kühlere Kernbereich. Darüber hinaus können äußere Kräfte, insbesondere ein zwischen dem Werkzeug und dem Halbzeug erzeugtes Vakuum oder ein dem Halbzeug beigefügtes Triebmittel, zur Expansion des Halbzeuges beitragen, wobei die Expansion aufgrund des geöffneten Werkzeuges begrenzt ist. In einem nächsten Verfahrensschritt folgt ein Kühlen des Halbzeugs und der Expansionsprozess endet. Das fertige Bauteil ist selektiv verdichtet. Erfolgt die Verdichtung der beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Halbzeuges, dann entsteht eine expandierte Struktur mit festem Kern.
Gemäß einer dritten Variante wird das Halbzeug dem Verarbeitungsprozess wiederum verdichtet zugeführt und anschließend über die Werkzeugoberflächen oberflächig erwärmt, wobei sich der Kernbereich des Halbzeugs weniger erwärmt als dessen Oberflächen. In einem folgenden Arbeitsschritt wird das Halbzeug durch das Schließen des Werkzeuges nachträglich verpresst, wobei in den wärmeren Bereichen nahe der den Werkzeugoberflächen zugewandten Oberflächen des Halbzeugs ein Fließen des Werkstoffs auftritt. Ein anschließender Kühlvorgang erfolgt unter Druck und die Fließprozesse enden. Das fertige Bauteil ist nun selektiv verpresst. Werden nur die oberflächennahen Bereiche auf diese Art und Weise verpresst können die Beschaffenheiten der Oberflächen des fertigen Bauteils beeinflusst, beispielsweise geglättet oder strukturiert, werden.
Nach einer vierten Variante wird das Halbzeug dem Verarbeitungsprozess verdichtet oder unverdichtet zugeführt und das Halbzeug durch eine Kontaktheizung über die Werkzeugoberflächen bei Bedarf erwärmt. Durch ein darauffolgendes Verpressen, das mit dem Schließen des Werkzeuges einhergeht, wird das Halbzeug derart verformt, dass es die Kontur des fertigen Bauteils einnimmt. Bei einem folgenden Kühlen des Werkzeugs wird das Bauteil an seinen Oberflächen stärker abgekühlt, als in seinem Kernbereich. Wird nun das Werkzeug um ein definiertes Maß geöffnet, dann expandiert das Bauteil aufgrund der Wirkung der inneren Rückstellkräfte, wobei der wärmere Kernbereich weniger Widerstand gegen Verformung aufbringt und stärker expandiert als die demgegenüber kühleren Oberflächen.
Der Einfluss äußerer Kräfte, wie beispielsweise eines zwischen dem Bauteil bzw. dem Halbzeug und dem Werkzeug wirkenden Vakuums, verstärkt die Expansion, die durch ein Abkühlen beendet wird. Das fertige Bauteil ist selektiv verpresst. Werden zwei gegenüberliegende Oberflächen desselben Halbzeugs derart ver- bzw. bearbeitet, weist das fertige Bauteil eine sandwichartige Struktur auf, dessen Oberflächen andere Eigenschaften aufweisen als der Kernbereich.
Entsprechend einer fünften Variante des Verarbeitungsverfahrens wird das Halbzeug verdichtet oder unverdichtet dem Verarbeitungsprozess zugeführt und bei Bedarf erwärmt. Bei einem anschließenden Pressvorgang fließt das Halbzeug, also das Werkstück in das Werkzeug. Bei einem Öffnen des Werkzeuges expandiert das Werkstück aufgrund der wirkenden Rückstellkräfte. Anschließend folgt ein Abkühlen. Werden nach dem Kühlen die Oberflächen des Werkstücks in dem geschlossenen Werkzeug erneut erwärmt, kann eine weitere Verdichtung des Halbzeugs durch das Werkzeug erfolgen, wobei die wärmeren Oberflächen des Halbzeugs erweichen und weniger Widerstand gegen die durch das Werkzeug einwirkenden Kräfte aufbringen und somit stärker verdichtet werden als der weniger erwärmte Kernbereich des Halbzeugs. Durch einen Kühlvorgang endet der Verdichtungsprozess. Diese Vorgänge sind mehrfach wiederholbar und es lassen sich komplexe sandwichartige Strukturen herstellen.

Claims

Verfahren zur Fertigung eines Bauteils aus einem Faserverbundmaterial in einem formgebenden Werkzeug, das zu öffnen sowie zu schließen und temperierbar ist, wobei das Faserverbundmaterial als Halbzeug in das Werkzeug eingelegt und selektiv mit Druck und/oder Temperatur derart beaufschlagt wird, dass über die Bauteildicke unterschiedliche Strukturen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug verdichtet oder unverdichtet in das Werkzeug gelegt, das Werkzeug geschlossen und das Halbzeug oberflächig erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug geschlossen und das Halbzeug dabei verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug mit dem im verdichteten Zustand eingelegten Halbzeug gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug um ein bestimmtes Maß geöffnet wird, insbesondere nach dem Kühlen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Werkzeugoberfläche und einer zugeordneten Oberfläche des Halbzeuges ein Vakuum angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem thermoplastischen Matrixmaterial eine Kühlung des Werkzeuges und bei einem duroplastischen Matrixmaterial ein Vernetzen unter einer erhöhten Temperatur des Werkzeuges vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug mit dem im verdichteten Zustand eingelegten Halbzeug nach seiner Erwärmung um ein bestimmtes Maß geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug in einem festen Zustand in das Werkzeug eingelegt wird, wobei es bei einem thermoplastischen Matrixmaterial eine Temperatur unter der Schmelztemperatur aufweist und bei einem duroplastischen Matrixmaterial unvernetzt und vorzugsweise tiefgekühlt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug in dem Werkzeug in eine vorgegebene Form gepresst wird.