-
Anwendungsgebiet und Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus Schichtmaterial bzw. aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anlage zur Herstellung eines Schichtmaterials aus Faserverbundstoffen sowie ein Schichtmaterial aus Faserverbundwerkstoff.
-
Aus der
EP 0 187 678 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, mittels denen plattenartiges Schichtmaterial durch ein mit Druck beaufschlagtes Wärmebad geführt wird. Es finden gleichzeitig ein Laminierungsprozess sowie ein Temperprozess statt. Insbesondere die Bereiche, in denen das Schichtmaterial kontinuierlich in die erhitzte Flüssigkeit eingebracht wird, sind als kritisch bezüglich der Druckdichtigkeit einzustufen. Des Weiteren kann die bekannte Vorrichtung keine Möglichkeit bieten, das zu laminierende Schichtmaterial auf Lufteinschlüsse odgl. zu überprüfen.
-
Aufgabe und Lösung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren, eine Anlage sowie ein Schichtmaterial der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels denen in einfacher Weise ein Formteil aus Schichtmaterial in hoher Qualität reproduzierbar hergestellt werden kann. Nachteile aus dem Stand der Technik sollen dabei vermieden werden.
-
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Schichtmaterial mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. Manche der nachfolgenden, jedoch nicht erschöpfend aufgezählten Merkmale und Eigenschaften treffen sowohl auf das Verfahren als auch auf die Anlage bzw. das Schichtmaterial zu. Sie werden teilweise nur einmal beschrieben, gelten jedoch unabhängig voneinander und in beliebiger Kombination sowohl für das Verfahren als auch für die Anlage bzw. das Schichtmaterial. Weiterhin ist die Reihenfolge der aufgelisteten Merkmale nicht bindend, sondern kann vielmehr geändert und kombiniert werden entsprechend eines optimierten Verfahrens bzw. einer Anlage für das optimierte Verfahren bzw. einem Schichtmaterial, hergestellt mittels der Anlage bzw. dem Verfahren.
-
Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus Schichtmaterial bzw. aus Faserverbundwerkstoff vorgesehen, bei dem Faser- bzw. Faserverbundwerkstoff auf einer Mattenträgerform als eine Fasermatte und/oder zur Bildung einer Fasermatte positioniert wird. Ein vorzugsweise flüssiges und/oder gelartiges Matrixmaterial wird auf die Fasermatten zum Durchtränken mit dem Matrixmaterial aufgetragen. Die Anordnung aus Fasermatten und Matrixmaterial wird mit einem Abdeckelement wenigstens im Bereich einer Auflagefläche der Anordnung auf der Mattenträgerform zur Bildung eines Formpakets bedeckt. Das Formpaket wird gepresst und ein Unterdruck wenigstens in dem von der Mattenträgerform und dem Abdeckelement umgebenden Bereich des Formpakets erzeugt. Das Matrixmaterial wird mittels Wärmebehandlung gehärtet.
-
Die Wärmebehandlung des Formpakets wird erfindungsgemäß in einem Tauchbad mit einem Medium darin vorgenommen. Das Abdeckelement ist flexibel. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Formgebung bzw. die Bearbeitung zur vorläufigen Formgebung getrennt von der Wärmebehandlung durchgeführt. So ist es möglich, die Produktionsstätten, in denen die einzelnen Bearbeitungsschritte durchgeführt werden, voneinander zu trennen, beispielsweise in warme Bereiche und kalte Bereiche. Es können einzelne Teilbereiche, in denen für Menschen gegebenenfalls gesundheitsschädliche Bedingungen und/oder als unangenehm empfundene Bedingungen vorliegen, abgetrennt werden. Durch die Verwendung von flexiblen Abdeckelementen wird erreicht, dass sich diese Abdeckelemente beim Pressen sowie beim Erzeugen des Unterdrucks komplett an das Formteil anlegen und das Formteil gegen Lufteinschlüsse bzw. Kontakt zu Luft abdichten. Die Verwendung von flexiblen Abdeckelementen ist weiterhin vorteilhaft, da dann lediglich eine Form ggf. aufwendig erzeugt werden muss, die Gegenform dieser Negativform dann automatisch durch Anlegen des flexiblen Abdeckelements an das Formteil sowie dem damit verbundenen Anlegen eines Unterdrucks erreicht wird, vorteilhaft mit 1mbar bis 7mbar oder auch bis 100mbar oder bis 300mbar. Damit können vorteilhaft Formteile ohne Einschlüsse oder Luftblasen erzeugt werden, also keine Hohlkörper. Das Tauchbad dient vorteilhaft zum Härten und/oder Tempern des Bauteils.
-
Der Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise aus Kohle- oder Glasfaser, Kevlar, Keramik, Aramid odgl., aber auch aus Stahl-Nylon- und/oder Naturfasern hergestellt sein. Als flüssiges und/oder gelartiges Matrixmaterial können Polymere, hier insbesondere Duromere, also Harze, Elastomere oder Thermoplaste, aber auch Metalle, Keramiken oder Kohlenstoffe Verwendung finden. Das Positionieren bzw. Aufbringen der Fasern bzw. der Fasermatten kann beispielsweise durch Sprühen, Legen, Stülpen odgl. erfolgen, beispielsweise von Matten, Schläuchen, Fasern und/oder Schnitzeln. Die Schritte des Pressens des Formpakets bzw. Erzeugens eines Unterdrucks sind in ihrer Reihenfolge beliebig und können ggf. gleichzeitig vorgenommen werden.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Fasermatten vor dem Formpressen an die Mattenträgerform angepasst, vorzugsweise weitgehend oder ganz. Auf diese Weise wird nur ein geringer Überstand erzeugt, der vorzugsweise nur so groß ist, wie zur Handhabung des fertigen Formteils notwendig ist. Das Anpassen der Fasermatten hat weiterhin den Vorteil, dass gegebenenfalls zu verstärkende Bereiche des entstehenden Formteils gezielt mit mehr Lagen ausgelegt werden können als lediglich für die Bildung von geschlossenen Konturen bzw. zur Bildung von Verbindungen der benötigten Bereiche vorzusehen sind.
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist das Tauchbad ein Bad mit einem Medium darin, vorzugsweise ein Ölbad, in das das Formpaket eingebracht wird, wobei vorzugsweise das Formpaket durch das Bad transportiert wird, insbesondere von einem Ende zum anderen Ende, vorzugsweise kontinuierlich. Durch die Verwendung von Öl als Medium in dem Tauchbad kann ein Betriebsmittel mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, das einfach zu handhaben ist und im Vergleich zu Wasser flüssig bis in deutlich höhere Temperaturbereiche erwärmt werden kann.
-
Das Transportieren des Formpaketes durch das Ölbad kann beispielsweise mittels eines Transportbandes erfolgen, auf dem das Formpaket bzw. die Formpakete gelagert sind bzw. von dem das Formpaket bzw. die Formpakete herabhängen. Die Abfolge der Wärmebehandlung mittels des Tauchbades und des Bandes kann beispielsweise sein: Auflegen bzw. Einhängen eines bzw. mehrerer Formpakete, Eintauchen zumindest der Formpakete, transportieren der Formpakete durch das Tauchbad, Auftauchen der Formpakete aus dem Tauchbad, Abnehmen bzw. Abhängen eines und/oder mehrerer Formpakete von dem Band, rücktransportieren des Bandes in den Aufnahmebereich. Das Band kann hierbei auch mehrere Schleifen durch das Tauchbad durchlaufen, je nach Zweckmäßigkeit. Es kann vorgesehen sein, die Formpakete automatisiert bzw. teilautomatisiert dem Band zu übergeben bzw. von diesem abzunehmen. Als kontinuierlich wird hier verstanden, dass das Band in sich geschlossen ist.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Tauchbad mehrere voneinander getrennte Ölbäder mit unterschiedlichen Temperaturen auf, durch die das Formpaket bzw. durch die die Formpakete nacheinander transportiert werden, wobei die unterschiedlichen Temperaturen Werte zwischen 40°C und 200°C aufweisen. Auf diese Weise kann ein vergleichsweise langsames Anwärmen der Formpakete bzw. ein vergleichsweise langsames Abkühlen der Formpakete im Verlauf der Bearbeitung erreicht werden. Spannungen innerhalb eines zu erzeugenden Formteils wegen vergleichsweise großer Temperaturunterschiede einzelner Bereiche des Formteils können so vermieden werden.
-
Die einzelnen Tauchbäder mit den unterschiedlichen Temperaturbereichen können jeweils eine eigene Transportvorrichtung aufweisen, beispielsweise ein Band gemäß vorstehender Beschreibung, zwischen denen dann die Formpakete automatisiert bzw. teilautomatisiert weitergereicht werden. Alternativ kann auch ein Transportband verwendet werden, das ein Formpaket durch mehrere Tauchbäder transportiert, beispielsweise vom ersten Tauchbad bis zum letzten Tauchbad.
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist die Mattenträgerform ein Blechteil, insbesondere ein Blechpressteil. Auf diese Weise wird wegen der vergleichsweise dünnen Wandstärke eines Blechteiles sowie der vergleichsweise höheren Wärmeübertragungsfähigkeit von Metallen ein Energiespareffekt erzielt, da die einzelnen Formpakete weniger lang der Tauchbadbehandlung unterzogen werden müssen.
-
In anderer Ausgestaltung der Erfindung ist die Mattenträgerform ein Teil aus Faserverbundwerkstoff, beispielsweise ein GFK- oder CFK-Teil.
-
In Ausgestaltung der Erfindung weist die Mattenträgerform insbesondere auf der von den Fasermatten abgewandten Seite Verstärkungsrippen auf. Auf diese Weise wird die Mattenträgerform deutlich stabiler, was beispielsweise beim Arbeitsschritt des Pressens von Vorteil ist. Auch der Transport einzelner Formpakete ist formerhaltend möglich, da Verbiegungen und/oder Verwindungen der Mattenträgerformen zumindest verringert, gegebenenfalls sogar vollständig vermieden werden. Die Rippen können, sofern zweckmäßig, beim Herstellen der Mattenträgerform durch Stanzen und Pressen erzeugt werden. Alternativ ist ein nachträgliches Anbringen an die Mattenträgerform möglich, beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben, Stecken odgl..
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist das Abdeckelement eine Folie, insbesondere eine Kunststofffolie. Kunststofffolien sind flexibel einsetzbar, einfach formbar und passen sich beim Pressvorgang bzw. beim Anlegen des Unterdrucks an die Oberfläche des Formteils an. Durch den Unterdruck mit dem das Formpacket vor, während und/oder nach dem Pressen beaufschlagt wird, bleibt das Abdeckelement auch im Anschluss an das Pressen in seiner an dem Formteil anliegenden Position. Die hohe Flexibilität einer Kunststofffolie trägt hier dazu bei, dass keine weitere Abdichtung im Randbereich des Abdeckelementes gegen gegebenenfalls wieder einströmende Fluide, insbesondere Luft, vorgesehen werden muss. Das anliegende Abdeckelement trägt vorteilhaft auch zum Formerhalt des Formelements bei, beispielsweise beim Transport odgl..
-
In Ausgestaltung der Erfindung werden die Materialträgerform und/oder das Abdeckelement wieder verwendet, gegebenenfalls nach einem durchzuführenden Reinigungsvorgang. Der Reinigungsvorgang kann lediglich Abspritzen bzw. Abspülen umfassen, ggf. aber auch komplexere Reinigungsvorgänge, wie Walken, Behandeln mit Lösungsmitteln odgl.. Das Wiederverwenden der Materialträgerform und/oder des Abdeckelementes ist aus ökonomischer sowie ökologischer Sicht sinnvoll.
-
In Ausgestaltung der Erfindung wird das Formpaket gepresst, vorteilhaft mit einer Presse mit einer Presskraft zwischen 100t und 2000t, vorzugsweise mit einer Presskraft von 500t. Auf diese Weise wird eine homogene Verteilung des Fasermaterials sowie des Matrixmaterials innerhalb des Formteils erreicht, in dem die einzelnen Fasern dicht gepackt aneinanderliegen und gegebenenfalls vorhandene Lufteinschlüsse odgl. entfernt werden.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Anlage zur Herstellung eines Schichtmaterials aus Faserverbundwerkstoff mittels eines vorstehend beschriebenen Verfahrens gelöst. In Ausgestaltung der Erfindung weist die Anlage ein Ölbad mit vorzugsweise einer Transportvorrichtung zum Transport eines Formpaketes durch das Ölbad hindurch auf, insbesondere von einem Ende zum anderen Ende des Ölbades, vorzugsweise kontinuierlich.
-
Schließlich wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe noch durch ein Schichtmaterial aus Faserverbundwerkstoff mittels eines Verfahrens entsprechend vorstehender Beschreibung bzw. mittels einer Anlage gemäß vorstehender Beschreibung gelöst.
-
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte und Zwischenüberschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Teilweise werden Merkmale nur im Zusammenhang mit einer einzelnen Figur beschriebenen. Die Merkmale können jedoch, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, beliebig miteinander kombiniert werden. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine Abfolge von Arbeitsschritten zur Bildung eines Bauteils aus Faserverbundwerkstoff in einer Negativform,
-
2 eine Schnittansicht entlang einer Schnittlinie I-I der 1 der Negativform in einer Pressvorrichtung,
-
3 die Schnittansicht der Negativform aus 2 nach dem Pressvorgang,
-
4 ein Tauchbad zum Härten und/oder Tempern des Bauteils aus Faserverbundwerkstoff, und
-
5a und 5b Durchlaufschemata der Bauteile aus Faserverbundwerkstoff durch ein Tauchbad.
-
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt eine Abfolge von Arbeitsschritten zur Bildung eines Formpaketes aus Faserverbundwerkstoff in einer Negativform. Die Negativform ist hier eine Mattenträgerform 10, in der Fasermatten 12 und/oder Faserstücke 14, gegebenenfalls zur Bildung von Fasermatten, in der Mattenträgerform 10 positioniert werden. Die Fasermatten 12 bzw. Faserstücke 14 werden mittels eines Matrixmaterials 16 besprüht, getränkt odgl.. Auf eine so entstandene Schichtung wird dann ein Abdeckelement 18 aufgebracht.
-
Die Fasermatten 12 bzw. Faserstücke 14 können Kohle- und/oder Glasfasern, Kevlar, Keramik und/oder Aramidfasern, Stahl-, Nylon- und/oder Naturfasern sein. Diese werden, je nach Bereitstellungsform, auf die Mattenträgerform gesprüht, gelegt und/oder gestülpt. Bereitstellungsformen können allgemein Matten, Geflechte, Schläuche, Lang- oder Endlos-Fasern und/oder Schnitzel sein. Das Matrixmaterial kann beispielsweise ein und/oder mehrere Polymere sein, wie beispielsweise Elastomere und/oder Thermoplaste und/oder Duromere, wie beispielsweise Harze. Das Matrixmaterial kann zusätzlich oder alternativ auch noch Metalle, Keramik und/oder Kohlenstoffe aufweisen.
-
Die Mattenträgerform 10 ist ein Blechteil 20, das hier als gestanztes Blechpressteil mit bestimmter Form vorliegt. Das Abdeckelement 18 ist hier eine Kunststofffolie 22.
-
Die 2 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Schnittlinie I-I der 1 der Negativform, angeordnet in einer Pressvorrichtung. Das Formpaket 24, bestehend aus Mattenträgerform 10, Faserverbundwerkstoff 26 bestehend aus Fasern und Matrixmaterial, sowie dem Abdeckelement 18 ist hierzu zwischen zwei Pressformen 28 angeordnet. Mittels der Pressformen 28 wird das Formpaket 24 mit einer Presskraft beaufschlagt, wobei allgemein die Presskraft zweckmäßig bis zu 100t und 2000t betragen kann, beispielsweise etwa 500t. Vor dem Pressvorgang, währenddessen und/oder nach dem Pressvorgang wird das Formpaket 24 zusätzlich mit Unterdruck beaufschlagt, um gegebenenfalls vorhandene Lufteinschlüsse odgl. zu entfernen. Ein Unterdruck kann die oben genannten Werte betragen, beispielsweise 1mbar bis 7/100/300mbar.
-
Eine Schnittansicht der Negativform aus 2 nach dem Pressvorgang ist der 3 zu entnehmen. Darin ist zu erkennen, dass die Mattenträgerform 10 auf ihrer dem Faserverbundwerkstoff 26 abgewandten Seite 30 Verstärkungsrippen 32 aufweist. Diese dienen zur Erhöhung der Stabilität der Mattenträgerform 10. Die Pressformen der 2 weisen entsprechende Ausnehmungen, die nicht dargestellt sind, für die Aufnahme der Verstärkungsrippen 32 auf.
-
Ein Tauchbad 34 zum Härten und/oder Tempern der in den Formpaketen 24 enthaltenen Faserverbundwerkstoffe ist in 4 dargestellt. Beim Tempern wird nur die Glasübergangstemperatur erhöht um die Endfestigkeit zu erreichen. Das Tauchbad 34 könnte man hier auch zum eigentlichen Härten verwenden. Das Tauchbad 34 ist mit einem flüssigen Medium 36, vorzugsweise Öl, als Wärmeübertrager gefüllt. Die Formpakete 24 werden mittels einer Transportvorrichtung 38 durch das Tauchbad 34 hindurch transportiert. Die Transportvorrichtung 38 ist gemäß 4 als in sich geschlossenes Band ausgebildet. Mittels der Transportvorrichtung 38 werden die Formpakete 24 von einem Ende 40 des Tauchbades 34, in Betrachtungsebene links, im Wesentlichen zum anderen Ende 42 des Tauchbades 34 transportiert, in Betrachtungsebene rechts.
-
Das Tauchbad 34 kann unterschiedliche Temperaturzonen aufweisen. Alternativ ist vorstellbar, dass mehrere Tauchbäder 34 nacheinander angeordnet sind, durch die dann nacheinander die Formpakete 24 hindurchgeführt werden.
-
In den 5a und 5b sind Durchlaufschemata der Bauteile aus Faserverbundwerkstoff durch das Tauchbad der 4 dargestellt. Gemäß 5a ist eine Zirkulation der Transportvorrichtung 38 mit einer einzigen Schleife vorgesehen. Der Schleife werden in einem Zufuhrbereich 44 die hier nicht dargestellten Formpakete zugeführt. An einem ersten Entnahmepunkt 46, der im Wesentlichen dem zweiten Endbereich 42 des Tauchbades 34 entspricht, siehe 4, können die Formpakete wieder entnommen werden. Alternative Entnahmepunkte 48 sind in 5a symbolisch angedeutet.
-
Der 5b ist noch zu entnehmen, dass die Transportvorrichtung 38 auch mehrere, mäandrierende Schleifen aufweisen kann. Diese Schleifen können alle entweder innerhalb eines einzelnen Tauchbades vollzogen werden. Alternativ können diese Schleifen auch verwendet werden, um aufeinanderfolgende Tauchbäder zu nutzen, die dann vorteilhaft unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Die Temperaturen können aufsteigen und/oder abfallen. Die Transportvorrichtung 38 der 5b ist nicht geschlossen dargestellt, woraus jedoch nicht abgeleitet werden soll, dass die Transportvorrichtung tatsächlich keinen geschlossenen Kreislauf bildet. Es soll lediglich dargestellt werden, dass Schleifen, Mäander odgl. in beliebiger Form folgen können.
-
Das neue Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die Trennung von Formgebung und Aushärten aus. Damit lässt sich die Prozesszeit im formgebenden Teil senken, und zur Erreichung von höheren Stückzahlen ist hier lediglich ein ausreichend großes bzw. langes Härtebad nötig. Dadurch ist auch die Verwendung von langsam härtenden Harzen (im Vergleich zu RTM beispielsweise) möglich mit den üblichen Vorteilen gegenüber den schnell härtenden Harzsystemen (Verbrennungszonen etc.). Schnell härtende Harzsysteme neigen dazu viel Wärme zu erzeugen. Dadurch steigt die Gefahr von Verbrennungszonen, man spricht hier von „durchgehen“. Mehr Wärme beschleunigt die Reaktion zusätzlich, was wiederum mehr Wärme bedeutet etc. Langsamere Standardharze haben hier den Vorteil, dass sie deutlich weniger kritisch reagieren, sich viel länger in der Anwendung befinden und einfacher und kostengünstiger zu handhaben sind. Zusätzlich ist die Bandbreite an wählbaren Eigenschaften größer.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
