DE102012110354A1

DE102012110354A1 - Formwerkzeug, Steuermittel, Verfahren und Anlage zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102012110354A1
Application number: DE102012110354.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Graf
Original assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Current assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CA2887577A1; DE102012110354B4; EP2911854A1; JP2015532901A; KR20150079900A; CN104736312A; WO2014067865A1; US20150290842A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug (20), ein Steuermittel und ein Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils (1). Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist schließlich auch eine Anlage (10) zur Durchführung des Verfahrens. Ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug (20) zeichnet sich gegenüber gattungsbildenden Formwerkzeugen dadurch aus, dass das zwischen dem ersten (21) und dem zweiten (22) Werkzeugteil zumindest eine erste Dichtung (23a) dergestalt planmäßig bezüglich der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss angeordnet ist, dass in einer ersten Schließstellung der Werkzeugteile (21, 22) die Kavität über die Öffnung (25) zum Vakuumanschluss evakuierbar und in einer zweiten Schließstellung der Werkzeugteile (21, 22) die evakuierte Kavität auch gegenüber der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss abgedichtet ist. Die vorliegende Erfindung hat zum Vorteil, dass sich mit ein und derselben, die Werkzeugteile (21, 22) gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtenden, Dichtung (23) bedarfsweise sowohl die Kavität über die Öffnung (25) zum Vakuumanschluss evakuieren als auch die evakuierte Kavität gegenüber der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss abdichten lässt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Formwerkzeug, ein Steuermittel und ein Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist schließlich auch eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Für die Herstellung insbesondere von faserverstärkten Kunststoffbauteilen (Faserverbundbauteilen) und insbesondere von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteilen (CFK-Bauteile) ist unter anderem das Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM-Verfahren) bekannt. Die Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels dieses Verfahrens erfolgt im industriellen Einsatz in nachfolgend ablaufenden Einzelprozessen.
In einem ersten Prozessschritt, dem so genannten Vorform- oder Preform-Prozess, werden die Faser-Halbzeuge, die in der Regel als mehrschichtiges Gewebe oder Gelege zugeschnittener Faser-Matten etc. vorliegen, umgeformt, so dass sie bereits annähernd die Geometrie des zu fertigenden Verbundbauteils besitzen. Die einzelnen Faser-Matten der Faser-Halbzeuge weisen neben den Faser-Matten selbst in der Regel auch einen Binder auf, der klebstoffartige Eigenschaften besitzt. Der Binder bewirkt eine Vorverfestigung der einzelnen Faser-Matten untereinander und damit der vorgeformten Faser-Vorform (des Preformlings), damit diese formstabil den nachfolgenden Prozessen zugeführt werden kann. Die Faser-Vorform kann auch nur Preform genannt werden.
Für den Vorform-Prozess werden in der Regel also vorkonfektionierte Faser-Matten gemäß einem vordefinierten Faserlagenaufbau schichtweise zu einem Faser-Halbzeug übereinander gelegt. Dieses aus Faser-Matten gebildete Faser-Halbzeug wird daraufhin bei Raumtemperatur, oder auf eine Umformtemperatur aufgeheizt, in ein Vorform- oder Preform-Werkzeug überführt. Die Umformung des Faser-Halbzeuges in eine Faser-Vorform erfolgt durch das Schließen des Werkzeugs. Abschließend kann der Randbereich der so erzeugten Faser-Preform noch beschnitten werden (im Folgenden auch als Besäumung oder Netshaping bezeichnet), beispielsweise durch Stanzen oder Ultraschallschneiden, so dass die Faser-Preform definierte Konturkanten aufweist. Die Faser-Vorform wird abschließend entformt und ggfs. zur Durchführung der folgenden Prozess- und Verfahrensschritte zwischengelagert.
Während der Zwischenlagerung kann bereits eine erste Qualitätskontrolle stattfinden. Mittels optischer Prüfung kann hierbei insbesondere der Ausformgrat der Faser-Vorform (des Preformlings) sowie eventuelle Faserverzüge, Faserwellungen, Falten oder ähnliche oberflächige Fehlstellen erkannt werden.
In einem nachfolgenden zweiten Prozessschritt, dem RTM-Prozess, wird die Faser-Vorform in eine gereinigte und eingetrennte, d.h. mit einem Antihaftmittel beschichtete Kavität eines RTM-Werkzeugs eingelegt. Das in der Regel zweiteilige Formwerkzeug wird daraufhin mittels einer Presse geschlossen und ein zweikomponentiges Harzsystem in die Kavität des Formwerkzeugs injiziert, wobei es als Matrixwerkstoff die Faserstruktur der Faser-Vorform durchdringt und die Fasern einschließt. Nach dem Aushärten des Harzsystems kann die so erhaltene Hauptform des faserverstärkten Kunststoffbauteils entformt und ggf. erneut qualitätsgeprüft werden.
Um bei der Injektion des Harzes, zur Infiltrierung der Faser-Vorform, das Werkzeug dicht geschlossen zu halten, befindet sich zwischen Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil gewöhnlich eine Elastomerdichtung. In der Regel werden hierfür handelsübliche Rundschnurdichtungen eingesetzt. Die Faser-Vorform muss hierbei in ihrer Außenkontur ebenfalls sehr präzise sein. Dies wird wie bereits beschrieben zumeist durch eine Besäumung der Vorform vor dem RTM-Prozess erreicht. Hierbei ist es jedoch weiterhin unumgänglich, dass ein Spalt zwischen dem Preformling und der Dichtung entsteht. Dieser Spalt führt zu der negativen Eigenschaft, dass eine Art „Kanal“, meist im Randbereich, entsteht, durch den das Harz unkontrolliert einströmt und die Fließfront innerhalb der Faser-Vorform kurzschließt. Hierdurch kann es zu unerwünschten Lufteinschlüssen und Fehlimprägnierungen kommen. Zudem muss der „Kanal“ ebenfalls mit Harz gefüllt werden, was zu einem erhöhten Harzverbrauch, und damit insbesondere zu Wettbewerbsnachteilen bei Grossserien, führt.
Zur Realisierung eines vollautomatischen Großserienprozesses im RTM-Verfahren ist die Tatsache, dass die zwischen Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil angeordnete Öffnung zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität mit Harz in Berührung kommt und nach dem Zyklus zeitraubend gereinigt werden muss, eine der großen handhabungstechnischen Herausforderungen, insbesondere für ein unter hohem Druck injiziertes oder überverdichtetes Harz.
Hohe Kavitätsdrücke von beispielsweise 35 bis zu 100 bar oder mehr sind aber heutigen sogenannten Hochdruck-RTM-Verfahren (HP-RTM) eigen, welche sich auf die Herstellung von insbesondere faserverstärkten Kunststoffbauteilen wie Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen mittels einer schnellstmöglichen Harzinjektion bei vollständiger Imprägnierung der textilen Faserverstärkungsstrukturen durch die Verwendung hochreaktiver Harzsysteme konzentrieren. Hieraus ergibt sich eine drastische Reduzierung der bisher üblichen Zykluszeiten. Zur homogenen Vermischung von hochreaktiven Harz- und Härterkomponenten wird eine Hochdruck-RTM-Anlage eingesetzt. Man unterscheidet dabei zwischen Hochdruck-Compression RTM-Verfahren (HP-CRTM) und Hochdruck-Injektion RTM Verfahren (HP-IRTM).
Im HP-CRTM Prozess wird das Harz in eine definiert (gering) geöffnete, eine Faser-Vorform beinhaltende, Werkzeugform injiziert. Nach dem Injektionsvorgang wird die Werkzeugform geschlossen und die Faser-Vorform auf Grund des aus den Schließkräften der Hydraulikpresse resultierenden hohen Werkzeuginnendrucks von bis zu 100 bar sowohl kompaktiert (überverdichtet) als auch gleichzeitig imprägniert.
Im HP-IRTM Verfahren wird die Faser-Vorform, welche sich bereits in einer komplett geschlossenen Werkzeugform befindet, durch einen signifikant hohen Harzinjektionsdruck von beispielsweise 35 bar imprägniert. Der hohe Injektionsdruck führt zu einer zeitlichen Verkürzung der Imprägnierungsphase.
Beide HP-RTM Verfahren haben zum Vorteil:

• Kurze Injektions- und Imprägnierungszeiten im HP-CRTM und HP-IRTM Verfahren;
• Kurze Taktzeiten durch die Verwendung von hochreaktiven Harzsystemen;
• Ökonomisch und ökologisch effizienter Verarbeitungsprozess, da mit vergleichsweise sehr geringen Harzüberschüssen gearbeitet wird;
• Schaffung eines optimierten Harz-Faser-Verhältnisses im Kunststoffformteil, insbesondere für den Leichtbau.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte, insbesondere vereinfachte und preiswerte, Dichtmethode insbesondere für die Öffnung zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität bereitzustellen, welche die Vorteile der RTM-Verfahren und insbesondere der Hochdruck-RTM-Verfahren (HP-RTM) nutzend gleichermaßen wirtschaftlich wie tauglich für automatisierte Großserienprozesse ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Formwerkzeug zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Steuermittel zum zueinander Verfahren zweier Werkzeugteile eines Formwerkzeuges mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, durch ein Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruch 11, sowie durch eine Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Formwerkzeug nach der Erfindung zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils geht aus von gattungsbildenden Formwerkzeugen mit mindestens zwei zueinander in wenigstens eine erste und eine zweite Schließstellung verfahrbaren Werkzeugteilen, mit welchen eine Kavität (also ein Hohlraum) bildbar ist, die der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils entspricht; mit zumindest einer, in einem Werkzeugteil ausgebildeten Öffnung zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität; und mit wenigstens einer, die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtenden Dichtung. Ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug zeichnet sich gegenüber gattungsbildenden Formwerkzeugen dadurch aus, dass das zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil zumindest eine erste Dichtung dergestalt planmäßig bezüglich der Öffnung zum Vakuumanschluss angeordnet ist, dass in einer ersten Schließstellung der Werkzeugteile die Kavität über die Öffnung zum Vakuumanschluss evakuierbar und in einer zweiten Schließstellung der Werkzeugteile die evakuierte Kavität auch gegenüber der Öffnung zum Vakuumanschluss abgedichtet ist. Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Formwerkzeug hat zum Vorteil, dass sich mit ein und derselben, die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtenden, Dichtung bedarfsweise sowohl die Kavität über die Öffnung zum Vakuumanschluss evakuieren als auch die evakuierte Kavität gegenüber der Öffnung zum Vakuumanschluss abdichten lässt.
In einer ersten planmäßigen Ausgestaltung des Formwerkzeuges hat sich bewährt, die zumindest eine erste Dichtung an dem einen Werkzeugteil und die Öffnung zum Vakuumanschluss in dem anderen Werkzeugteil auszubilden.
In einer zweiten, alternativen oder kumulativen, planmäßigen Ausgestaltung des Formwerkzeuges hat sich bewährt, die Öffnung zum Vakuumanschluss in einer Seitenwand eines Werkzeugteils außerhalb eines die Bauteildicke des Kunststoffbauteils definierenden Bereichs der Kavität auszubilden.
Zum Einbringen eines Harzsystems in die evakuierte Kavität ist bevorzugt und in an sich bekannter Weise wenigstens ein Werkzeugteil mit einer Injektionsanlage wirkverbunden. Dabei hat sich insbesondere eine Ausgestaltung des Formwerkzeuges bewährt, bei welcher die Injektionsanlage zum Einbringen des Harzsystems mit dem Werkzeugteil wirkverbunden ist, in dem auch die Öffnung zum Vakuumanschluss ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist schließlich eine Ausgestaltung des Formwerkzeuges, bei welcher zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil zusätzlich zumindest eine zweite, die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtenden Dichtung dergestalt planmäßig bezüglich der ersten Dichtung und der Öffnung zum Vakuumanschluss angeordnet ist, dass über die Öffnung Vakuum vorteilhaft auch dann noch im Werkzeug gehalten werden kann, wenn die Werkzeugteile bereits in die zweite Schließstellung für ein Einbringen des Harzsystems in die evakuierte Kavität verfahren wurden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Steuermittel zum zueinander Verfahren zweier Werkzeugteile eines Formwerkzeuges, insbesondere eines Formwerkzeuges wie zuvor beschrieben, wobei mit den Werkzeugteilen eine Kavität bildbar ist, die der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils entspricht und wobei mittels des Steuermittels eine Verfahrbarkeit der Werkzeugteile in wenigstens zwei Schließstellungen ermöglicht ist. Ein erfindungsgemäßes Steuermittel zeichnet sich gegenüber gattungsbildenden Steuermitteln aus durch eine erste Schließstellung, in der zumindest eine erste Dichtung die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck dergestalt zueinander abdichtet, dass über eine Öffnung zu einem Vakuumanschluss die Kavität evakuierbar ist; und durch eine zweite Schließstellung, in der die zumindest eine erste Dichtung die evakuierte Kavität auch gegenüber der Öffnung zum Vakuumanschluss abdichtet. Durch die vorteilhafte Anfahrbarkeit der Werkzeugteile in wenigstens zwei Schließstellungen ist bedarfsweise und auf preiswerte und einfache Weise mit ein und derselben, die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtenden Dichtung sowohl die Kavität über die Öffnung zum Vakuumanschluss evakuierbar als auch die evakuierte Kavität gegenüber der Öffnung zum Vakuumanschluss abdichtbar.
In einer ersten Ausgestaltung des Steuermittels ist bevorzugt, dass in der zweiten Schließstellung eine Injektionsanlage zum Einbringen eines Harzsystems in die evakuierte Kavität aktivierbar ist.
In einer zweiten, alternativen oder kumulativen, Ausgestaltung des Steuermittels ist bevorzugt, dass bereits in der zweiten oder erst in einer dritten Schließstellung die Kavität der Werkzeugteile auf die gewünschte Bauteildicke des Kunststoffbauteils schließbar ist; so dass vorteilhaft insbesondere sowohl Hochdruck-Compression RTM-Verfahren (HP-CRTM) als auch Hochdruck-Injektion RTM Verfahren (HP-IRTM) durchführbar sind.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist schließlich eine Ausgestaltung des Steuermittels, mit welchem beim Verfahren der Werkzeugteile in die zweite oder dritte Schließstellung, in der zusätzlich zumindest eine zweite Dichtung die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtet, der Vakuumanschluss aktiviert bleibt, so dass über die Öffnung zum Vakuumanschluss weiterhin Vakuum im Werkzeug gehalten werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils in mindestens zwei zueinander verfahrbaren Werkzeugteilen eines Formwerkzeuges, insbesondere in einem Formwerkzeug wie weiter oben beschrieben, wobei mit den Werkzeugteilen eine Kavität bildbar ist, die der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils entspricht; und insbesondere unter Verwendung eines Steuermittels wie zuvor beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils zeichnet sich gegenüber den bekannten Verfahren dadurch aus, dass die beiden, insbesondere bereits mit einer Faser-Vorform des Kunststoffbauteils bestückten, Werkzeugteile zunächst in eine erste Schließstellung verfahren werden, bei der zumindest eine erste Dichtung die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck dergestalt abdichtet, dass über eine Öffnung zu einem Vakuumanschluss die Kavität evakuierbar ist; anschließend die durch die Werkzeugteile gebildete Kavität über die Öffnung zum Vakuumanschluss evakuiert wird; anschließend die beiden Werkzeugteile in eine zweite Schließstellung verfahren werden, in der die wenigstens eine erste Dichtung die evakuierte Kavität auch gegenüber der Öffnung zum Vakuumanschluss abdichtet; und anschließend eine Injektionsanlage zum Einbringen eines Harzsystems in die Kavität aktiviert wird. Durch die vorteilhafte Verfahren der Werkzeugteile in wenigstens zwei Schließstellungen ist bedarfsweise und auf preiswerte und einfache Weise mit nur einer, die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtenden, Dichtung sowohl die Kavität über die Öffnung zum Vakuumanschluss evakuierbar als auch die evakuierte Kavität gegenüber der Öffnung zum Vakuumanschluss abdichtbar.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil zusätzlich zumindest eine zweite die Werkzeugteile gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtende Dichtung dergestalt planmäßig bezüglich der ersten Dichtung und der Öffnung zum Vakuumanschluss angeordnet ist, dass über die Öffnung Vakuum auch dann noch im Werkzeug gehalten werden kann, wenn die Werkzeugteile bereits in die zweite Schließstellung für ein Einbringen des Harzsystems in die evakuierte Kavität verfahren wurden.
Um insbesondere sowohl Hochdruck-Compression RTM-Verfahren (HP-CRTM) als auch Hochdruck-Injektion RTM Verfahren (HP-IRTM) durchführen zu können, hat sich schließlich eine alternative oder kumulative Ausgestaltung des Verfahrens bewährt, bei dem bereits mit Verfahren der Werkzeugteile in die zweite Schließstellung oder erst nach Verfahren der Werkzeugteile in eine dritte Schließstellung die mit den Werkzeugteilen gebildete Kavität der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils entspricht
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils, insbesondere eines Verfahrens wie zuvor beschrieben. Die erfindungsgemäße Anlage zeichnet sich aus durch ein Formwerkzeug wie oben beschrieben mit mindestens zwei zueinander in wenigstens eine erste und eine zweite Schließstellung verfahrbaren Werkzeugteilen, mit welchen eine Kavität bildbar ist, die der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils entspricht; zumindest eine, in einem Werkzeugteil ausgebildeten Öffnung zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität; eine Injektionsanlage zum Einbringen eines Harzsystems in die evakuierte Kavität; und eine Presse zum Verfahren und Fixieren der Werkzeugteile in den Offen- und Schließstellungen des Formwerkzeuges. Zwecks Steuerung der Presse zum Verfahren und Fixieren der Werkzeugteile in den Offen- und Schließstellungen des Formwerkzeuges zeichnet sich schließlich in einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage diese durch ein Steuermittel wie oben beschrieben aus.
Die vorliegende Erfindung stellt eine zuverlässige Dichtmethode insbesondere für die Öffnung zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität bereit. In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausgestaltung gestattet Sie insbesondere mit Hilfe einer zweiten Dichtung vorteilhaft auch dann noch Vakuum im Werkzeug zu halten, wenn die Werkzeugteile bereits in die zweite Schließstellung für ein Einbringen des Harzsystems in die evakuierte Kavität verfahren wurden. Sie eignet sich vorteilhaft insbesondere für alle RTM-Verfahren.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils – auf welche die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist – näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 die typischen Stationen a) bis h) einer Anlage zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils und
2 die typischen Prozessschritte a) bis d) in einer RTM-Anlage, insbesondere zur Durchführung eines HP-CRTM-Verfahrens, zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils.
Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile. Zur einleitenden Erläuterung werden verschiedene Bezugszeichen und Bauteile zum besseren Verständnis vorab erläutert, wie diese von der Erfindung verstanden werden. Eine Faser-Vorform 3 wird im Zuge der Herstellung aus einem Faser-Halbzeug 4 gebildet, das wiederum aus zumindest zwei Faser-Matten 5 oder aus vergleichbaren Fasergeweben besteht und somit auch als Fasermattenstapel bezeichnet werden kann. Die Faser-Vorform 3 kann unterstützend zum vorliegenden Prozess einen Randbereich aufweisen, in dem ein Dichtmittelmaterial eingebracht worden ist, dass insbesondere bei extremen Hochdruckinjektionsverfahren die Abdichtung des Werkzeuges mit quasi einer weiteren Dichtungsfront unterstützt. Die Hauptform 2 des fertigen Kunststoffbauteils 1 unterscheidet sich im Wesentlichen in noch notwendigen Transfer- oder Bearbeitungsschritten, die hier nicht näher erläutert sein müssen. Unter Kavität versteht man den durch die Werkzeugteile im teil- oder vollständig geschlossenen Zustand gebildete Hohlform, die annähernd oder im vollständig geschlossenen der Werkzeugteile der Endform des Kunststoffformteiles entspricht.
1 zeigt schematisch typische Stationen a) bis h) einer Anlage 10 zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils 1, mindestens umfassend die Verfahrensschritte: Zuschneiden einzelner Faser-Matten 5 (Verfahrensschritt 1.1) in einer Zuschnittstation (vgl. 1a); Stapeln – mit oder ohne Bebinderung – (vgl. 1c) mehrerer Faser-Matten 5 zu einem Faser-Halbzeug 4 außerhalb oder innerhalb eines mindestens zwei Werkzeugteile 31, 32 umfassenden Vorform-Werkzeuges 30 (Verfahrensschritt 1.2) einer Vorform-Anlage (vgl. 1d) oder – insb. wenn Vorform- und Haupt-Form-Werkzeuge integral ausgebildet sind (nicht dargestellt) – innerhalb eines mindestens zwei Werkzeugteile 21, 22 umfassenden Formwerkzeuges 20 einer RTM-Anlage; Durchführung eines Vorform-Prozesses zur Herstellung einer Faser-Vorform 3 (vgl. 1e) des Kunststoffbauteils 1 (Verfahrensschritt 1.3) in dem Vorform-Werkzeug 30 einer Vorform-Anlage (vgl. 1d) sowie Durchführung eines RTM-Prozesses zur Herstellung einer Hauptform 2 (vgl. 1g) des Kunststoffbauteiles 1 (Verfahrensschritt 1.4) in dem Formwerkzeug 20 einer RTM-Anlage (vgl. 1f).
Bei der Realisierung eines vollautomatischen Großserienprozesses im RTM-Verfahren ist die Tatsache, dass die zwischen Werkzeugoberteil 21 und Werkzeugunterteil 22 angeordnete Dichtung mit Harz in Berührung kommt und nach dem Zyklus entweder zeitraubend gereinigt oder gar zyklisch getauscht werden muss, eine der großen handhabungstechnischen Herausforderungen, insbesondere für ein unter hohem Druck injiziertes oder überverdichtetes Harz.
Zur Vermeidung dessen ist in der DE 10 2012 110 353.4 vom heutigen Tage eine Anlage und ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils 1 beansprucht, auf welche hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird, und welche sich gegenüber dem Stand der Technik auszeichnet durch Auftrag- und/oder Einbringmittel 11 wie insbesondere eine Flachkopfdüse 12 (vgl. 1b) zum Zwecke eines in Bezug auf die Verfahrensschritte 1.2 und/oder 1.3 vorgeschalteten, zeitgleichen und/oder nachgeschalteten Auftragens und/oder Einbringens eines zumindest teilweise umlaufenden zur Verwendung als Dichtmittel geeigneten Materials 6 auf einzelne, mehrere und/oder alle Faser-Matten 5 und/oder dem Faser-Halbzeug 4 dergestalt, dass spätestens vor der Durchführung des gemäß Verfahrensschritt 1.4 vorgesehenen RTM-Prozesses in einem vollständig umlaufenden Randbereich 3a der Faser-Vorform 3 alle dortigen Faserporen und Faserzwischenräume durch das Dichtmittelmaterial 6 geschlossen sind.
Alternativ oder kumulativ hierzu ist bei der Realisierung eines vollautomatischen Großserienprozesses im RTM-Verfahren auch die Tatsache, dass die zwischen dem oberen und dem unteren Werkzeugoberteil 21, 22 angeordnete Öffnung 25 zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität mit Harz in Berührung kommt und nach dem Zyklus zeitraubend gereinigt werden muss, ebenfalls eine der großen handhabungstechnischen Herausforderungen.
Zur Vermeidung dessen wird mit der vorliegenden Erfindung eine Dichtmethode insbesondere für die Öffnung 25 zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität bereitgestellt (vgl. 1f), welche sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil 21, 22 zumindest eine erste Dichtung 23a dergestalt planmäßig bezüglich der Öffnung 25 zum Vakuumanschluss angeordnet ist, dass in einer ersten Schließstellung A der Werkzeugteile 21, 22 die Kavität über die Öffnung 25 zum Vakuumanschluss evakuierbar und in einer zweiten Schließstellung der Werkzeugteile 21, 22 die evakuierte Kavität auch gegenüber der Öffnung 25 zum Vakuumanschluss abgedichtet ist.
2 zeigt beispielhaft die typischen Prozessschritte a) bis d) in einer RTM-Anlage bevorzugt zur Durchführung eines HP-CRTM-Verfahrens zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils 1.
2a zeigt das mindestens zwei Werkzeugteile 21, 22 umfassende Formwerkzeug 20 einer RTM-Anlage in einer geöffneten Stellung. Dabei sind das obere Werkzeugteil (Patrize) 21 und das untere Werkzeugteil (Matrize) 22 dergestalt zueinander korrespondierend ausgebildet, dass diese in einer finalen Schließstellung eine der Hauptform 2 des Kunststoffbauteils 1 entsprechende Kavität ausbilden, in welche später ein Harzsystem injiziert wird. Um bei der Injektion des Harzes über eine Injektionsanlage 24, zur Infiltrierung der Faser-Vorform 3, das Formwerkzeug 20 dicht gegenüber den umgebenden Luftdruck geschlossen zu halten, befindet sich zwischen Werkzeugoberteil 21 und Werkzeugunterteil 22 wenigstens eine, insbesondere Elastomere enthaltende, Hauptdichtung 23. Ja nach Aufbau der Werkzeugteile 21 und 22 können aber auch – wie in 2a gezeigt – auch gegebenenfalls zwei oder mehr sogenannte Dichtungen 23a und 23b vorgesehen sein, welche ein Werkzeugteil 21 mit dem anderen Werkzeugteil 22 gegenüber den diese umgebenden Luftdruck vollständig, beispielsweise umlaufend, abdichten. Für die vor der Infiltrierung erforderliche Evakuierung der Kavität ist in wenigstens einem Werkzeugteil 21, 22 wenigstens eine Öffnung 25 zu einem Vakuumanschluss ausgebildet – in 2a im unteren Werkzeugteil 22 dargestellt.
2b zeigt das zweiteilige Formwerkzeug 20 einer RTM-Anlage aus 2a mit einer darin eingelegten vorgeformten – im Ausführungsbeispiel jedoch vereinfacht im Wesentlichen eben gezeichneten – Faser-Vorform 3 mit in deren Randbereich integriertem Dichtmittelmaterial 6, bei welcher also in einem vollständig umlaufenden Randbereich der Faser-Vorform 3 alle dortigen Faserporen und Faserzwischenräume durch das Dichtmittelmaterial 6 geschlossen sind. Erkennbar ist, wie bereits in einer ersten Schließstellung die erst teilweise geschlossenen Werkzeugteilen 21 und 22 über die untere umlaufende Dichtung 23a zueinander luftdicht verschließbar sind und die dadurch gebildete Kavität über die Öffnung 25 zu einem Vakuumanschluss evakuierbar ist.
2c zeigt das zweiteilige Formwerkzeug 20 einer RTM-Anlage aus 2b in einer zweiten, weiter geschlossenen Schließstellung, in der die Öffnung 25 zu dem Vakuumanschluss nunmehr durch die erste (untere) Dichtung 23a gegenüber der durch die Werkzeugteile 21, 22 gebildeten Kavität und die Werkzeugteile 21 und 22 zusätzlich durch eine zweite (obere) Dichtung 23b abgedichtet sind, so dass über die Öffnung 25 Vakuum auch dann noch im Formwerkzeug 20 sicher gehalten werden kann, wenn die Werkzeugteile 21, 22 bereits in die zweite Schließstellung für ein Einbringen des Harzsystems in die evakuierte Kavität verfahren wurden. Abhängig von der Höhe der Hauptdichtung 23 kann eine Hauptdichtung 23 ausreichend sein, wenn diese im Zuge des Fahrens der Werkzeugteile 21, 22 von der ersten zur zweiten Stellung die Öffnung 25 vollständig abdecken kann. Aber auch in diesem Sonderfall kann es notwendig sein eine zweite Dichtung 23b vorzusehen. Damit ist die Gefahr unerwünschter Lufteinschlüsse im Kunststoffbauteil 1 stets vermieden, da selbst bei einer geringen Undichtigkeit der ersten Dichtung 23a über die zweite Dichtung 23b der Luftabschluss vor und während des RTM-Prozesses erhalten blieben kann. Dies ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn in der RTM-Anlage insbesondere ein HP-CRTM Prozess durchgeführt wird, also in der zweiten Schließstellung die Werkzeugteile 21 und 22 erst auf ein definiertes Spaltmaß geschlossenen werden, um Harz ohne nennenswerte Fließwiderstände oberhalb oder – wie dargestellt – unterhalb der äußeren Lage der Faser-Vorform 3 zu injizieren und mit anschließendem Schließen der Werkzeugteile 21, 22 in eine finale Schließstellung zuverdichten.
2d zeigt das zweiteilige Formwerkzeug 20 einer RTM-Anlage aus 2c in einer dritten, finalen Schließstellung, in welcher die von den Werkzeugteilen 21 und 22 belassene Kavität nunmehr der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils 1 entspricht, so dass das zuvor injizierte Harz in die Poren und Zwischenräume der Faser-Vorform 3 eingepresst werden, ohne dabei die mittels des Dichtmittelmaterials 6 zuvor in der Faser-Vorform 3 ausgebildete integrierte Dichtung zu passieren.
Schließlich kann eine Endform des Kunststoffbauteils 1 (vgl. 1h) durch einfache Besäumung der Hauptform 2 (vgl. 1g) des Kunststoffbauteiles 1 unter Abtrennung des Dichtmittelmaterials 6 erhalten werden.
Je nach angestrebter Spezifikation des Kunststoffbauteiles kann dieses Matten aus Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Aramidfasern, Borfasern, Stahlfasern, Naturfasern, Nylonfasern oder vergleichbare Fasern und/oder aus Mischungen davon und/oder auch sog. Wirrfasermatten (Recyclingfasermatten) enthalten.
Die vorliegende Erfindung stellt eine zuverlässige Dichtmethode insbesondere für die Öffnung 25 zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität bereit. In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausgestaltung gestattet Sie insbesondere mit Hilfe einer zweiten Dichtung 23b vorteilhaft auch dann noch Vakuum im Werkzeug 20 zu halten, wenn die Werkzeugteile 21, 22 bereits in die zweite Schließstellung für ein Einbringen des Harzsystems in die evakuierte Kavität verfahren wurden. Sie eignet sich daher vorteilhaft insbesondere für sogenannte Hochdruck-RTM-Verfahren (HP-RTM).
In vorteilhafter Weise kann schließlich eine Faser-Vorform 3 mit integrierter Dichtung zum Einsatz kommt, und damit kann erstmals auch für HP-RTM-Verfahren sichergestellt werden, dass keinerlei Harz die im RTM-Werkzeug zwischen dem oberen und dem unteren Werkzeugoberteil 21, 22 eines Formwerkzeuges 20 angeordneten Hauptdichtungen 23 bzw. den Dichtungen 23a, 23b erreicht, so dass auch diese nicht mehr harzbedingt verschmutzen und zeitraubend gereinigt oder zyklisch getauscht werden müssen.
Bezugszeichenliste

1: Kunststoffbauteil
2: Hauptform
3: Faser-Vorform
4: Faser-Halbzeug
5: Faser-Matten
6: Dichtmittelmaterial
10: Anlage
11: Auftrags- und/oder Einbringmittel
12: Flachkopfdüse
20: Formwerkzeug
21: Werkzeugteil
22: Werkzeugteil
23: Hauptdichtung
23a: Dichtung
23b: Dichtung
24: Injektionsanlage
25: Öffnung
30: Vorform-Werkzeug
31: Werkzeugteil
32: Werkzeugteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012110353 [0037]

Claims

Formwerkzeug (20) zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils (1) – mit mindestens zwei zueinander in wenigstens eine erste und eine zweite Schließstellung verfahrbaren Werkzeugteilen (21, 22), mit welchen eine Kavität bildbar ist, die der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils (1) entspricht; – mit zumindest einer, in einem Werkzeugteil (22) ausgebildeten Öffnung (25) zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität; und – mit wenigstens einer, die Werkzeugteile (21, 22) gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtenden Dichtung (23; 23a, 23b) dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen dem ersten (21) und dem zweiten (22) Werkzeugteil (21) zumindest eine erste Dichtung (23a) dergestalt planmäßig bezüglich der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss angeordnet ist, dass – in einer ersten Schließstellung der Werkzeugteile (21, 22) die Kavität über die Öffnung (25) zum Vakuumanschluss evakuierbar, und – in einer zweiten Schließstellung der Werkzeugteile (21, 22) die evakuierte Kavität auch gegenüber der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss abgedichtet ist.
Formwerkzeug (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem einen Werkzeugteil (21) die zumindest eine erste Dichtung (23a) und in dem anderen Werkzeugteil (22) die Öffnung (25) zum Vakuumanschluss ausgebildet sind.
Formwerkzeug (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (25) zum Vakuumanschluss in einer Seitenwand eines Werkzeugteils (22) außerhalb eines die Bauteildicke des Kunststoffbauteils (1) definierenden Bereichs der Kavität ausgebildet ist.
Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Werkzeugteil (21, 22) mit einer Injektionsanlage (24) zum Einbringen eines Harzsystems in die evakuierte Kavität wirkverbunden ist.
Formwerkzeug (20) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionsanlage (24) zum Einbringen des Harzsystems mit dem Werkzeugteil (22) wirkverbunden ist, in dem auch die Öffnung (25) zum Vakuumanschluss ausgebildet ist.
Formwerkzeug (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen dem ersten (21) und dem zweiten (22) Werkzeugteil (21) zusätzlich zumindest eine zweite die Werkzeugteile (21, 22) gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtenden Dichtung (23b) dergestalt planmäßig bezüglich der ersten Dichtung (23a) und der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss angeordnet ist, dass über die Öffnung (25) Vakuum auch dann noch im Formwerkzeug (20) gehalten werden kann, wenn die Werkzeugteile (21, 22) bereits in die zweite Schließstellung für ein Einbringen des Harzsystems in die evakuierte Kavität verfahren wurden.
Steuermittel zum zueinander Verfahren zweier Werkzeugteile (21, 22) eines Formwerkzeuges (20), insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mit den Werkzeugteilen (21, 22) eine Kavität bildbar ist, die der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils (1) entspricht und wobei mittels des Steuermittels eine Verfahrbarkeit der Werkzeugteile (21, 22) in wenigstens zwei Schließstellungen ermöglicht ist, gekennzeichnet – durch eine erste Schließstellung, in der zumindest eine erste Dichtung (23a) die Werkzeugteile (21, 22) gegenüber den diese umgebenden Luftdruck dergestalt zueinander abdichtet, dass über eine Öffnung (25) zu einem Vakuumanschluss die Kavität evakuierbar ist; und – durch eine zweite Schließstellung, in der die zumindest eine erste Dichtung (23a) die evakuierte Kavität auch gegenüber der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss abdichtet.
Steuermittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Schließstellung eine Injektionsanlage (24) zum Einbringen eines Harzsystems in die evakuierte Kavität aktivierbar ist.
Steuermittel nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bereits in der zweiten oder erst in einer dritten Schließstellung die Kavität der Werkzeugteile (21, 22) auf die gewünschte Bauteildicke des Kunststoffbauteils (1) schließbar ist.
Steuermittel nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahren der Werkzeugteile (21, 22) in die zweite oder dritte Schließstellung, in der zusätzlich zumindest eine zweite Dichtung (23b) die Werkzeugteile (21, 22) gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtet, der Vakuumanschluss aktiviert bleibt, so dass über die Öffnung (25) zum Vakuumanschluss weiterhin Vakuum im Werkzeug (20) gehalten werden kann.
Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils (1) – in mindestens zwei zueinander verfahrbaren Werkzeugteilen (21, 22) eines Formwerkzeuges (20), insbesondere nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei mit den Werkzeugteilen (21, 22) eine Kavität bildbar ist, die der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils (1) entspricht; und – insbesondere unter Verwendung eines Steuermittels nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem, 11.1. die beiden, insbesondere bereits mit einer Faser-Vorform (3) des Kunststoffbauteils (1) bestückten, Werkzeugteile (21, 22) zunächst in eine erste Schließstellung verfahren werden, bei der zumindest eine erste Dichtung (23a) die Werkzeugteile (21, 22) gegenüber den diese umgebenden Luftdruck dergestalt abdichtet, dass über eine Öffnung (25) zu einem Vakuumanschluss die Kavität evakuierbar ist; 11.2. anschließend die durch die Werkzeugteile (21, 22) gebildete Kavität über die Öffnung (25) zum Vakuumanschluss evakuiert wird; 11.3. anschließend die beiden Werkzeugteile (21, 22) in eine zweite Schließstellung verfahren werden, in der die wenigstens eine erste Dichtung (23a) die evakuierte Kavität auch gegenüber der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss abdichtet; und 11.4. anschließend eine Injektionsanlage (24) zum Einbringen eines Harzsystems in die Kavität aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem zwischen dem ersten (21) und dem zweiten (22) Werkzeugteil zusätzlich zumindest eine zweite die Werkzeugteile (21, 22) gegenüber den diese umgebenden Luftdruck abdichtende Dichtung (23b) dergestalt planmäßig bezüglich der ersten Dichtung (23a) und der Öffnung (25) zum Vakuumanschluss angeordnet ist, dass über die Öffnung (25) Vakuum auch dann noch im Werkzeug (20) gehalten werden kann, wenn die Werkzeugteile (21, 22) bereits in die zweite Schließstellung für ein Einbringen des Harzsystems in die evakuierte Kavität verfahren wurden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem bereits mit Verfahren der Werkzeugteile (21, 22) in die zweite Schließstellung oder erst nach Verfahren der Werkzeugteile (21, 22) in eine dritte Schließstellung die mit den Werkzeugteilen (21, 22) gebildete Kavität der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils (1) entspricht.
Anlage (10) zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen eines, vorzugsweise faserverstärkten, Kunststoffbauteils (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wenigstens umfassend – ein Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit mindestens zwei zueinander in wenigstens eine erste und eine zweite Schließstellung verfahrbaren Werkzeugteilen (21, 22), mit welchen eine Kavität bildbar ist, die der gewünschten Bauteildicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils (1) entspricht; – zumindest eine, in einem Werkzeugteil (22) ausgebildeten Öffnung (25) zu einem Vakuumanschluss zur Evakuierung der Kavität; – eine Injektionsanlage (24) zum Einbringen eines Harzsystems in die evakuierte Kavität; und – eine Presse zum Verfahren und Fixieren der Werkzeugteile (21, 22) in den Offen- und Schließstellungen des Formwerkzeuges (20).
Anlage nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein Steuermittel nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zur Steuerung der Presse zum Verfahren und Fixieren der Werkzeugteile (21, 22) in den Offen- und Schließstellungen des Formwerkzeuges (20).