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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei ein Vorformling umfassend ein trockenes Fasergerüst in eine Kavität eines Werkzeugs eingelegt wird, wobei das trockene Fasergerüst in der Kavität mit einem fließfähigen Harz getränkt wird, und wobei der Vorformling nach der Tränkung des Fasergerüsts mit dem Harz zu dem Bauteil ausgehärtet wird.
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Faserverbundwerkstoffe werden durch ein arbeits- und kostenintensives Verfahren hergestellt. Der Faserverbundwerkstoff besteht aus einem Anteil Fasern und einem Anteil Matrix, die aus dem Harz gebildet ist, wobei der Werkstoff bei der Verarbeitung entsteht. Dazu ist es beispielsweise üblich, vor der Zusammenkunft von Harz und Fasern, beispielsweise durch eine Infusion oder durch eine Injektion, einen trockenen Vorformling mit einem Fasergerüst herzustellen, der der Endkontur des Bauteils nahekommt. Dieser Vorformling wird auch als Preform bezeichnet. Das Herstellen eines Vorformlings erfolgt unter anderem durch das Aufschichten ebener Faserhalbzeuge, die unter Druck und Temperatur in eine endgeometrieähnliche Form gepresst werden können. Nach Tränkung des Fasergerüsts des Vorformlings mit Harz wird das Harz unter Bildung des fertigen Bauteils ausgehärtet.
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Bei dem so genannten RTM-Verfahren (RTM = Resin-Transfer-Molding) erfolgt das Einbringen des Harzes in den Vorformling, das Umformen des Vorformlings und das Aushärten zeitnah. Dazu wird der Vorformling mit dem noch trockenen Fasergerüst in ein Gesenk oder in eine Kavität eines Werkzeugs eingelegt. Anschließend wird das Werkzeug geschlossen, wodurch der Vorformling in die gewünschte Bauteilendform gebracht wird. Im Wesentlichen parallel dazu wird mittels Unter- oder Überdruck von außen das noch fließfähige Harz in den eingelegten Vorformling eingebracht. Das Harz durchtränkt dabei das Fasergerüst. Anschließend wird beispielsweise mittels einer Temperaturbehandlung durch Wärmeeintrag das Harz ausgehärtet, wodurch das fertige Bauteil aus dem Faserverbundwerkstoff entsteht. Das RTM-Verfahren weist aufgrund der kombinierten Fertigungsschritte deutliche Kosten- und Logistikvorteile gegenüber anderen Verfahren auf, wobei die Tränkung und die Umformung des Vorformlings in getrennten Prozessschritten erfolgen.
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Als Matrixmaterial bzw. als Harze können Duroplaste verwendet werden, die sich auch aus mehreren Komponenten zusammensetzen können. Typische Vertreter sind Epoxid-Vinyl-Polyester- und phenolbasierte Harzsysteme. Diese weisen eine Härtereaktion auf, die unter Raumtemperatur oder höheren Temperaturen stattfindet.
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Für die Umsetzung insbesondere des RTM-Verfahrens zur Massenfertigung von Bauteilen im industriellen Umfeld ist die Wirtschaftlichkeit ein entscheidender Faktor. Die Verfahrensschritte zur Herstellung des Faserverbundwerkstoffes sind komplex und werden von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst. Die Vielzahl der Parameter bietet zwar die Möglichkeit, den Herstellungsprozess sehr adaptiv zu gestalten. Insbesondere könnte durch eine gezielte Einstellung von Prozessparametern auf schwankende Eingangsgrößen eingegangen werden. Dafür wäre jedoch eine Prozessintelligenz notwendig, die gegenwärtig noch nicht vorhanden ist. Insofern wirken sich Schwankungen der Eingangsgrößen durch äußere Einflüsse sowie durch Herstellungs- und Fertigungstoleranzen nachteiliger Weise auf die Ausgangsgrößen und somit auf die Schwankungsbreite bzw. Reproduzierbarkeit der geforderten Güte des aus dem Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteils aus. Für eine wirtschaftliche Umsetzung einer Serienfertigung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff ist es insofern ein Ziel, trotz eines breiten Toleranzfeldes der Eingangsgrößen ein enges Toleranzfeld bei den Ausgangsgrößen zu erreichen.
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Nach heutigem Stand erfolgt direkt nach der Aushärtung des Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff eine Nachbearbeitung, die insbesondere das Besäumen der Kanten, das Anbringen von Zusatzelementen und/oder eine Oberflächenveredelung beinhaltet. Je nach Anforderung an die finalen Bauteileigenschaften können für diese Nachbearbeitung Kosten entstehen, die mehr als 50 % der Gesamtkosten betragen. Auch dies stellt derzeit ein noch ungelöstes Problem hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff dar.
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Aus
DE 10 2009 053 549 A1 und der parallelen Veröffentlichung
EP 2 324 995 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff bekannt, bei dem ein Faserkörper in ein Formwerkzeug eingelegt wird. Bevor der Faserkörper mit einem primären Matrixmaterial in Form eines Matrixharzes getränkt wird, oder gleichzeitig mit der Tränkung, wird ein sekundäres Matrixmaterial injiziert, das einen Voreilgefährdungsbereich am Rand des Formwerkzeugs ausfüllt. Der Vorformling wird nach dem Tränken des Fasergerüsts mit dem Harz zu dem Bauteil ausgehärtet.
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Aus
DE 10 2011 077 468 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen bekannt, bei dem auf ein im Werkzeug bereitliegendes Fasergewebe in einem die Kavität des Werkzeugs umlaufenden Bereich eine aushärtbare Dichtmasse aufgebracht wird. Die Dichtmasse wird nach dem Schließen des Werkzeugs und vor dem Füllen der Kavität mit einer aushärtbaren Füllmasse durch gezieltes Einleiten von Wärme in einen gelierten Zustand überführt, in dem die Dichtmasse die Kavität abdichtet.
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Aus
DE 696 07 445 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus Verbundwerkstoff bekannt, bei dem zwischen einer Spritzgussform und einem darin eingelegten Vorformling längs eines Randes des herzustellenden Bauteils ein quellfähiger Klebstoff angebracht wird, so dass der Rand des herzustellenden Bauteils durch den aufgequollenen und polymerisieren Klebstoff gebildet wird.
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Aus
DE 696 05 884 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Platte aus Verbundmaterial bekannt, bei dem ein offenzelliger Kern, ein Film aus nichtpolymerisiertem Klebstoff, eine Membran und trockene Fasern in eine Form eingelegt werden. Nach dem Schließen der Form wird der Klebstoff polymerisiert, so dass die Membran auf dem offenzelligen Kern festklebt. Anschließend wird Harz in die Form eingespritzt, um die Fasern zu imprägnieren. Das Harz wird zur Bildung einer Haut polymerisiert.
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Aus
DE 10 2011 109 700 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils bekannt, bei dem ein Fasereinleger in unterschiedlichen Bereichen mit zwei verschiedenen Matrixmaterialien imprägniert wird. Eines der Matrixmaterialien enthält dabei Hohlkörper als Deformationsstrukturen. Die damit imprägnierten Bereiche des Fasereinlegers dienen im ausgehärteten Zustand als Deformationsbereiche.
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Aus
US 2005/0053765 A1 ist schließlich ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundbauteils bekannt, bei dem Faserlagen zusammen mit rahmenförmigen, gelochten Metalllagen in eine Form gelegt und mit einem transparenten Harz umspritzt werden. Das so hergestellte Bauteil wird insbesondere als Flugzeugfenster verwendet.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff anzugeben, bei welchem gegenüber dem Stand der Technik der Einfluss der Eingangsgrößen auf die Ausgangsgrößen verringert ist. Dadurch wird insbesondere die Wirtschaftlichkeit der Herstellung verbessert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei ein Vorformling umfassend ein trockenes Fasergerüst in eine Kavität eines Werkzeugs eingelegt wird, wobei zwischen den eingelegten Vorformling und das Werkzeug ein Hilfsmaterial eingebracht wird, wobei das trockene Fasergerüst in der Kavität mit einem fließfähigen Harz getränkt wird, wobei beim Tränken des Fasergerüsts der Fließweg des Harzes durch das Hilfsmaterial beeinflusst wird, und wobei der Vorformling nach der Tränkung des Fasergerüsts mit dem Harz zu dem Bauteil ausgehärtet wird, wobei ein fließfähiges Hilfsmaterial eingebracht wird, das gegenüber dem fließfähigen Harz mit einer höheren Aushärtegeschwindigkeit gewählt ist.
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Die Erfindung erkennt dabei in einem ersten Schritt, dass insbesondere durch Streuungen beim Harzfluss während der Tränkung des Vorformlings unerwünschte Abweichungen im Füllbild von dem gewünschten Endzustand vorliegen, die Ursache für eine hohe Schwankungsbreite in der Qualität des fertig gestellten Bauteils bzw. für eine hohe Ausschussquote sind. In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass sich der Harzfluss bei der Tränkung des Vorformlings in einen gewollten definierten Harzfluss durch Zuleitungen oder Angusskanäle und in einen ungewollten undefinierten Harzfluss durch unspezifische, von äußeren Umständen und Fertigungstoleranzen abhängige Hohlräume zerlegen lässt. Ein ungewollter Harzfluss kann insbesondere zu Umströmungen von Teilbereichen des Vorformlings führen, so dass darin enthaltene Restluft daran gehindert wird, nach außen abtransportiert zu werden. Als Folge entstehen innerhalb der Matrix des fertigen Bauteils unerwünschte Poren oder Makroporen. Je nach Definition der Bauteilqualität muss ein solches Bauteil dann gegebenenfalls als Ausschussteil bewertet werden. Ursachen für einen undefinierten und nichtgewollten Harzfluss können insbesondere eine Abweichung in der Form des Vorformlings, eine Abweichung in der Form der Kavität oder ein falsches Bedienen des Werkzeugs während des RTM-Verfahrens sein. Ein ungewollter und undefinierter Harzfluss kann grundsätzlich an der Schnittstelle zwischen dem Fasergerüst des Vorformlings und dem Werkzeug, innerhalb des Vorformlings und/oder innerhalb des Werkzeugs entstehen.
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Schließlich geht die Erfindung in einem dritten Schritt von der weiteren Überlegung aus, dass ein ungewollter und undefinierter Harzfluss verhindert werden kann, indem ein Hilfsmaterial in die Hohlräume, Zwischenräume oder Kanäle, die Ursache für den undefinierten Harzfluss sind, eingebracht wird oder mit einem eingebrachten Hilfsmaterial der Harzfluss bei der Tränkung des Vorformlings definiert gesteuert bzw. gelenkt wird. Im ersten Fall wird die Ursache für einen ungewollten Harzfluss durch eine Füllung der unspezifischen Hohlräume, Zwischenräume oder Kanäle verhindert. Das Harz kann nicht mehr in die mit Hilfsmaterial gefüllten Hohlräume, Zwischenräume oder Kanäle fließen. Mit anderen Worten ist das Hilfsmaterial als ein Füllmaterial eingesetzt. Im zweiten Fall wird ein Harzfluss durch oder in unerwünschte Hohlräume, Zwischenräume oder Kanäle durch eine gezielte Steuerung des Harzflusses vermieden. Mit anderen Worten ist das Hilfsmaterial als ein Führungshilfsmittel eingesetzt, beispielsweise als eine Barriere, als eine Sperre oder als eine Membran ausgebildet. Beide Möglichkeiten sind nicht zwangsläufig Alternativen, sondern können in beliebiger Ausgestaltung miteinander kombiniert werden oder in einer Mischausbildung vorliegen.
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Durch das Einbringen eines Hilfsmaterials zwischen den eingelegten Vorformling und das Werkzeug wird gezielt Einfluss auf den ungewollten Harzfluss im Zwischenraum zwischen dem Vorformling und dem Werkzeug und in einem Randbereich des Vorformlings genommen. Durch Füllen des Zwischenraums zwischen dem Vorformling und dem Werkzeug bzw. durch ein Verhindern, Behindern oder Beeinflussen des Harzflusses in diesen Zwischenraum hinein werden diesbezügliche Toleranzen und durch schwankende Eingangsgrößen verursachte Unbestimmtheiten in diesem Bereich, die Ursache für einen undefinierten Harzfluss sind, weitestgehend eliminiert. Als Folge weist die Qualität des fertigen Bauteils eine geringere Schwankungsbreite auf. Die Abhängigkeit des Füllbilds im Bauteil gegenüber den Eingangsgrößen ist verringert. Die Ausschussquote ist erniedrigt.
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Die Erfindung basiert insbesondere darauf, den Effekt des so genannten Race-Trackings (RTR) gezielt einzusetzen, um die Schwankungsbreite in den Parametern des fertigen Bauteils gegenüber der Schwankungsbreite der Eingangsgrößen zur Herstellung des Bauteils zu verringern. Dabei wird unter dem Begriff des Race-Trackings der Harzfluss durch einen Hohlraum in einer geschlossenen Kavität verstanden. Durch die Erfindung wird ein Harzfluss durch und/oder in unspezifische Hohlräume im Zwischenraum zwischen dem eingelegten Vorformling und dem Werkzeug sowie in einem Randbereich des Vorformlings bewusst unterbunden und somit eine Qualitätsverbesserung für das fertige Bauteil erzielt.
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Durch die Erfindung wird insbesondere verhindert, dass es am ausgehärteten Bauteil in einem Randbereich zu unerwünschten Reinharzgebieten kommt. Diese Reinharzgebiete sind Folgen einer notwendigen Negativtolerierung des Vorformlings gegenüber der Kavität des Werkzeugs, in die der Formling passen muss. Durch diese Negativtolerierung entstehen zwischen dem Vorformling und dem Werkzeug Kanäle (im Folgenden auch RTR-Kanäle oder RTR-Bereiche genannt), die Ursache für einen unerwünschten Harzfluss sind. Übliche Toleranzen für den Vorformling gegenüber der Kavität betragen etwa -1 mm bis zu -5 mm. Da der Vorformling umlaufend beschnitten werden muss, ergibt sich dadurch eine maximal mögliche Breite eines unerwünschten Kanals von 2 mm bis 10 mm. Zwar kann diese Kanalbreite durch einen genauen Beschnitt des Vorformlings verringert werden. Wegen der Einpassung des Vorformlings in die Kavität kann dieser Spalt bzw. Kanal jedoch nicht vollständig beseitigt werden.
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Andererseits kann es auch in einem Randbereich des Vorformlings zu einem unerwünschten Harzfluss kommen. Ein solcher Randbereich des Vorformlings ist beispielsweise durch den Bereich auslaufender Faserlagen oder durch einen Radienbereich gegeben. Beim Formen des trockenen Fasergerüsts des Vorformlings kann es dort aufgrund von Reibungs- oder Druckverhältnissen zu einer Überkompaktierung kommen. Die Stabilisierung über das aushärtende Harz friert dann die hierdurch generierte Geometrieabweichung ein. Dadurch kann an der Außenseite oder an der Innenseite des Randbereiches ein unerwünschter Kanal entstehen, der wiederum zu einem unerwünschten Harzfluss führt. Als Folge können im fertigen Bauteil auch hierdurch bedingte unerwünschte Reinharzgebiete entstehen. Auch dieser Effekt wird durch die Erfindung reduziert.
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Bei einer komplexen Bauteilgeometrie werden zur Realisierung auch Einleger im Werkzeug verwendet, die wiederum Ursache für unerwünschte Harzkanäle sein können. Diese Kanäle verteilen im Werkzeug das Harz weiter und führen so im Bauteil ebenfalls zu Abweichungen vom gewollten Flussbild und damit im Füllbild des fertigen Bauteils. Auch diese unerwünschte Abweichung wird von der Erfindung verhindert.
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Insgesamt wird durch das vorbeschriebene Verfahren ein robuster Fertigungsprozess für ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff angegeben, wobei gegenüber dem bekannten Stand der Technik die Ausschussquote verringert wird. Den Eingangsgrößen des Vorformlings kann ein großes Toleranzfenster, insbesondere hinsichtlich der geometrischen Maße, der Dicken, der Kompaktierungszustände etc., eingeräumt werden. Trotz eines weiten Toleranzfensters der Eingangsparameter wird die Qualität des Tränkungsprozesses nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.
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Das Einbringen des Hilfsmaterials und das Tränken des Fasergerüsts kann zeitlich nacheinander, zeitlich versetzt oder zeitlich parallel erfolgen. Insbesondere ist es auch möglich, den Tränkungsprozess zu beginnen, bevor das Hilfsmaterial eingebracht wird. Bevorzugt beginnt jedoch der Verfahrensschritt des Einbringens des Hilfsmaterials zeitlich vor dem Verfahrensschritt des Tränkens. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung überlappen sich der Verfahrensschritt des Einbringens des Hilfsmaterials und der Verfahrensschritt des Tränkens zeitlich.
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Durch die gegebenen Kombinationsmöglichkeiten des Einbringens des Hilfsmaterials und des Tränkens des Fasergerüstes mit Harz entstehen für den Fertigungsprozess verschiedene Charakteristika, die zu einer weitergehenden Optimierung herangezogen werden können. Beispielsweise kann die Prozesszeit für den Tränkvorgang verkürzt werden oder durch das Einbringen des Hilfsmaterials das Füllbild des Harzes beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß wird als Hilfsmaterial ein fließfähiges und insbesondere aushärtendes Hilfsmaterial eingebracht. Für das Hilfsmaterial können dabei insbesondere gegebenenfalls adaptierte Harze oder Harzsysteme eingesetzt werden, wie sie auch als Material für die Matrix von Bauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff an sich bekannt sind. Als geeignete Hilfsmaterialien werden beispielsweise Thermoplaste oder Duroplaste eingesetzt. Thermoplaste härten im eigentlichen Sinne nicht aus, sondern konsolidieren bei entsprechend niedrigen Temperaturen, so dass Begriffe wie Aushärtung oder Aushärtungsgeschwindigkeit von der Bedeutung her auch eine Konsolidierung oder Konsolidierungsgeschwindigkeit umfassen.
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Die Prozesseigenschaften und/oder die Materialeigenschaften des Hilfsmaterials können für einen jeweils gewünschten Anwendungsfall durch die Zugabe von nichtreaktiven und/oder reaktiven Füll- oder Hilfsstoffen günstig eingestellt werden.
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Insbesondere kann ein Bauteil erzeugt werden, wobei sich die Material- und/oder Prozesseigenschaften im mit Harz getränkten Fasergerüst, insbesondere im Bauteilinneren, von den Material- bzw. Prozesseigenschaften des Hilfsmaterials, insbesondere am Bauteilrand, unterscheiden. Durch die Wahl der Füll- oder Hilfsstoffe kann somit insbesondere gezielt auf spezifische Anforderungen für das fertige Bauteil eingegangen werden. Beispielsweise können dem Hilfsmaterial metallische Partikel beigemengt werden, um die elektrischen Eigenschaften des in das Bauteil eingebrachten Hilfsmaterials und damit insbesondere an und/oder in einem Rand des Bauteils zu modifizieren.
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Um RTR-Kanäle als Ursache für undefinierten Harzfluss zu schließen, wird für ein fließfähiges Hilfsmaterial ein Material mit einer gegenüber dem Harz der Matrix höheren Aushärtungsgeschwindigkeit eingesetzt, wozu gegebenenfalls reaktive und/oder nichtreaktive Füllstoffe beigemengt werden können. Auch kann sich die Viskosität des Hilfsmaterials von der Viskosität des Harzes der Matrix unterscheiden. Durch beide Varianten kann insbesondere der zeitliche Verlauf des Einbringens des Hilfsmaterials und des Tränkens mit Harz für den Fertigungsprozess optimiert werden. Werden beispielsweise das fließfähige Hilfsmaterial und das fließfähige Harz zeitlich überlappend eingebracht, so wird die Prozesszeit insgesamt durch das Einbringen des Hilfsmaterials nicht, nur unwesentlich oder gar nicht verlängert. Durch die höhere Aushärtungsgeschwindigkeit und gegebenenfalls eine höhere Viskosität des Hilfsmaterials kann zudem erzielt werden, dass das Hilfsmaterial nur unwesentlich in das Fasergerüst des Vorformlings eindringt. Andererseits kann ein Eindringen des Hilfsmaterials in einen Randbereich des Vorformlings aber auch erwünscht sein, wenn durch das Hilfsmaterial beispielsweise eine Oberflächenkontur für das fertige Bauteil erzeugt werden soll und es in diesem Fall als Oberfläche dauerhaft am Bauteil verbleibt.
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Sowohl das fließfähige Harz als auch das fließfähige Hilfsmaterial werden bevorzugt mittels einer Druckdifferenz, also durch eine Injektion oder durch eine Infusion, in die Kavität des Werkzeugs bzw. in das Fasergerüst des Vorformlings eingebracht. Dabei sind für das fließfähige Hilfsmaterial und für das fließfähige Harz zweckmäßigerweise getrennte Einlässe in die Kavität eingebracht. Dies ist jedoch abhängig von der Prozessführung nicht zwangsläufig erforderlich. Beispielsweise kann für das Hilfsmaterial und für das Harz auch derselbe Einlass verwendet werden, wenn das Hilfsmaterial dem Harzmaterial entspricht und sich beide Verfahrensschritte zeitlich nicht überlappen.
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Bei dem fließfähigen Hilfsmaterial ist es gegebenenfalls wünschenswert, die einen unerwünschten Harzfluss verursachenden Kanäle möglichst rasch zu schließen, jedoch andererseits den Fluss des Hilfsmaterials in das Fasergerüst möglichst definiert, d.h. mit einer vorhersagbaren Eindringtiefe, stattfinden zu lassen oder rasch zu stoppen. Demnach wäre zur Füllung eines unerwünschten Kanals für das Hilfsmaterial eine relativ niedrige Viskosität gewünscht. Für ein Eindringen in das Fasergerüst jedoch wäre eine möglichst hohe Viskosität für das Hilfsmaterial zu bevorzugen. Der Unterschied im Bereich eines unerwünschten Kanals und des Fasergerüsts liegt in deren jeweiliger geometrischer Ausprägung. Im RTR-Bereich liegt ein relativ großer Kanal vor. Im Fasergerüst muss eine komplexe Struktur gefüllt werden. Für den Fluss des Hilfsmaterials führt die komplexe Geometrie im Fasergerüst zu einer vergrößerten Oberfläche und damit zu einer erhöhten Reibungsfläche. Dadurch werden im Fasergerüst ein höherer Geschwindigkeitsgradient und damit eine höhere Scherrate verglichen mit einem RTR-Bereich induziert. Dieser Unterschied kann bevorzugt zur Kontrolle der Eindringtiefe des fließfähigen Hilfsmaterials verwendet werden, indem ein scherverfestigendes Hilfsmaterial eingesetzt wird. Wird ein solches scherverfestigendes fließfähiges Hilfsmaterial eingesetzt, findet mit zunehmender Scherrate gewissermaßen eine Verdickung des Materials statt. In einem RTR-Kanal findet insofern über eine niedere Scherrate eine niederviskose Tränkung statt. Sobald das scherverfestigende Hilfsmaterial ins Fasergerüst des Vorformlings eindringt, steigt die Scherrate und damit die Viskosität an. Die Tränkung im Fasergerüst verlangsamt sich. Als scherverfestigende Materialien bzw. als diese Eigenschaft im Hilfsmaterial bewirkende Füll- oder Hilfsstoffe werden bevorzugt Stärke, Flugasche, Quarz oder Fließmittel eingesetzt.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung werden dem fließfähigen Hilfsmaterial reaktive und/oder nichtreaktive Füll- und/oder Hilfsstoffe beigemengt, die in der Lage sind, die (Fließ-)Geschwindigkeit des Hilfsmaterials gegenüber dem Vorformling durch eine erhöhte Reibung zu erniedrigen. Auch hierdurch wird in gewünschter Weise der Fluss des Hilfsmaterials in das Fasergerüst des Vorformlings verringert. Darüber hinaus verringert man mit den eingesetzten Füllstoffen den Hohlraum im zu füllenden Bereich selbst. Bevorzugt werden dem Hilfsmaterial pulverförmige Hilfs- und/oder Füllstoffe oder Fasermaterialien beigemengt.
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Alternativ oder zusätzlich können dem fließfähigen Hilfsmaterial - wie bereits erwähnt - auch Füll- und/oder Hilfsstoffe hinzugesetzt werden, die die Aushärtung des Hilfsmaterials beschleunigen. Durch solche Füll- und/oder Hilfsstoffe lässt sich die Eindringtiefe des Hilfsmaterials in das Fasergerüst des Vorformlings definiert einstellen.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung dringt das fließfähige Hilfsmaterial in einen Randbereich in das Fasergerüst des Vorformlings ein und verbindet sich dort mit diesem dauerhaft. Hierdurch bietet sich die Möglichkeit, über eine gezielte Materialauswahl die Endkontur bzw. Außenkontur des fertigen Bauteils funktionsspezifisch über das eingesetzte Hilfsmaterial einzustellen. Soll das Hilfsmaterial als Außenkontur vorgesehen sein, besteht insbesondere die Möglichkeit einer Materialauswahl derart, dass das verbleibende Hilfsmaterial den Bauteilanforderungen im Randbereich genügt. Beispiele für Anforderungen an den Randbereich des Bauteils liegen insbesondere im Hinblick auf die Schlagzähigkeit, auf die Schrumpfung, auf die Härte oder auf die Zerspanbarkeit vor.
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Insbesondere kann auch durch ein lokales Anpassen der Materialeigenschaften des Hilfsmaterials eine spezifische Funktionalisierung des Bauteils erzielt werden. Gezielt kann über das Hilfsmaterial, welches am Bauteil verbleibt, auch eine Funktionserweiterung erzielt werden. Beispielsweise kann über die Gestaltung des RTR-Bereiches auch eine lokale Bauteilerhöhung vorgesehen werden. Dadurch kann beispielsweise beim Ablegen des Bauteils der Kontakt zur Auflage im Faserbereich vermieden werden. Dies reduziert u.a. die Wahrscheinlichkeit des Verkratzens der Oberfläche. Insbesondere könnten gegebenenfalls gezielt Kanäle in der Kavität geschaffen werden, um am Bauteil einen lokalen Aufbau von Hilfsmaterial zu erreichen. Beispielsweise kann gezielt in einem Randbereich durch Schaffung eines RTR-Kanals ein Materialaufbau durch das Hilfsmaterial erfolgen. Das Hilfsmaterial kann vom fertigen Bauteil entfernt werden. Es kann aber auch dauerhaft an/in diesem verbleiben.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird als Hilfsmaterial eine Sperrschicht eingebracht. Eine derartige Sperrschicht wird zusätzlich zu dem fließfähigen Hilfsmaterial eingesetzt. Dabei verhindert die Sperrschicht das Eindringen des fließfähigen Hilfsmaterials in das Fasergerüst des Vorformlings. Als Sperrschicht kann ein Vliesstoff, ein Gewebe, ein Filz, ein Papier oder ein anderer insbesondere eine niedrige Permeabilität aufweisender oder auch undurchlässiger Stoff eingesetzt werden. Genauso kommen pulverförmige Materialien in Form einer Schüttung, insbesondere ein thermoplastisches Pulver, Glaspartikel oder andere feste Partikel, in Frage. Ein Vorteil flächiger Materialien ist jedoch, dass diese über die vorhandene textile Preform-Technologie hergestellt bzw. appliziert werden können. Der Vorteil partikelförmiger Materialien ist, dass ihr Anteil lokal modifiziert werden kann und so lokal eine definierte Ausprägung des Flusses des Hilfsmaterials in das Fasergerüst erreicht werden kann.
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Als Sperrschicht kann zweckmäßigerweise ferner ein für Flüssigkeiten undurchlässiger oder teildurchlässiger Festkörper eingebracht werden. Alternativ zu den vorgenannten textilen oder durch Pulvermaterialien ausgebildeten Sperren kann auch ein Profil aus einem Kunststoff, aus einem Metall oder aus einem sonstigen Festkörper vorgesehen sein.
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Die Sperrschicht stellt insbesondere einen Bereich zur Kontrolle oder Steuerung der Eindringtiefe des fließfähigen Hilfsmaterials dar und charakterisiert eine vom Rest des Bauteils abweichende Durchlässigkeit. Je nach Durchlässigkeit bzw. Permeabilität blockiert die Sperrschicht den Fluss des Hilfsmaterials vollständig, verlangsamt ihn bis zum Stillstand oder verkürzt durch eine Flussbegrenzung die Eindringtiefe des fließfähigen Hilfsmaterials im Fasergerüst.
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Vorteilhafterweise ist ein als Sperrschicht eingesetzter Festkörper in Form eines einen Randbereich des Vorformlings umschließenden Profils eingesetzt. Die Umschließung des Randbereiches des Vorformlings dient insbesondere dazu, das Profil durch einen Reib-, Kraft- oder Materialschluss mit dem trockenen Fasermaterial zu verbinden. Je nach Profilausgestaltung kann auch eine Funktionalisierung in Richtung einer Endkontur des fertigen Bauteils möglich sein. Andererseits kann die Sperrschicht bzw. der Festkörper auch mit einer trennenden Eigenschaft gegenüber dem Fasergerüst versehen sein, so dass es möglich ist, die Sperrschicht mit geringem Aufwand vom ausgehärteten Bauteil zu entfernen. Ein solches Material kann beispielsweise PTFE oder Silikon sein.
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Vorteilhafterweise kann der als Sperrschicht eingesetzte Festkörper auch mit einer Anzahl von Öffnungen ausgestaltet sein, um ein definiertes Eindringen des Hilfsmaterials zu ermöglichen.
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In einer auch eigenständig erfinderischen Ausgestaltung wird die Sperrschicht als solche nicht zur Kontrolle des fließfähigen Hilfsmaterials eingesetzt, sondern dient insbesondere ausschließlich zur Kontrolle des Harzflusses (Harz im Sinne des Matrixmaterials). In diesem Fall kann über die Sperrschicht, insbesondere durch ein gezieltes Einbringen von Löchern oder Durchbrüchen, der Anguss durch das Harz und damit das Füllbild im Bauteil definiert gestaltet werden. Bevorzugt werden hierbei die RTR-Bereiche bzw. RTR-Kanäle gezielt zur Steuerung des Harzflusses gestaltet, wodurch die Fließfront des Harzes in das Fasergerüst über die Sperrschicht kontrolliert ist. Die Durchbrüche oder Öffnungen in der Sperrschicht bzw. im eingesetzten Festkörper können in beliebiger Form oder als komplette Zwischenräume zwischen verschiedenen Sperrschichten ausgestaltet sein.
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Eine derartige Sperrschicht zur Kontrolle des Harzflusses selbst kann beispielsweise auf der Angussseite ein Eindringen von Harz in das Fasergerüst des Vorformlings verhindern. Über eine RTR-Gestaltung im Zwischenraum zwischen dem Vorformling und dem Werkzeug kann das Harz gezwungen werden, den Vorformling zunächst zu umfließen und dann über beispielsweise gezielte Durchbrüche in das trockene Fasergerüst einzudringen. Andererseits kann auch über eine Teilpermeabilität der Sperrschicht für das Harz mit oder ohne gezielten Durchbrüchen eine definierte Gestaltung der Fließfront und somit eine definierte Durchtränkung des Vorformlings mit Harz erzielt werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung wird als Hilfsmaterial ein Dichtpolymer eingebracht. Hierdurch kann über das Hilfsmaterial eine Abdichtung der Kavität zwischen Werkzeug und Faserstapel erzielt werden, so dass auf üblich eingesetzte Dichtungen gegebenenfalls verzichtet werden kann.
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Eine Dichtung in der Kavität des Werkzeugs spielt für den RTM-Prozess eine entscheidende Rolle. Sie verhindert nämlich das ungewollte Austreten von Harz während der Tränkung bzw. während des Aushärtens. Undichtigkeiten während des Tränkens führen zu einem unerwünschten Bypassstrom aus der Kavität. Dadurch wird das Flussbild innerhalb des Bauteils verändert und es entsteht zudem eine Harzansammlung außerhalb des Werkzeugs.
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Es hat sich etabliert, vor dem Einbringen von Harz die Kavität abzupumpen, wodurch weniger Luft in das Bauteil eingeschlossen werden kann. Entsteht beim Prozessieren mit Unterdruck eine Undichtigkeit in der Dichtung, wird Luft in die Kavität gedrückt, wobei unerwünschterweise im fertigen Bauteil eine Porosität entsteht.
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Übliche Materialien für eine in der Kavität des Werkzeugs eingesetzte Dichtung sind Elastomere. Metalldichtungen haben sich aufgrund der notwendigen Toleranzen für den RTM-Prozess nicht als zweckmäßig erwiesen.
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Eine Schwierigkeit für die Robustheit des Dichtungssystems ist, dass die Komponenten des Matrixmaterials chemisch reaktiv sind. Der Kontakt mit Harz führt zu einer Versprödung des Dichtmaterials. Nach einer definierten Zykluszahl muss insofern die Dichtung ausgetauscht werden.
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Wird für das Hilfsmaterial ein Dichtpolymer eingesetzt, so kann dieses als Redundanz für eine bereits vorhandene Dichtungsfunktion eingesetzt werden und hierdurch insbesondere dessen Lebensdauer deutlich verlängern. Das Hilfsmaterial dient in diesem Fall als eine Harzsperre.
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Als Dichtpolymere für das Hilfsmaterial kommen Polyurethane oder Silikone in Frage. Um die Dichtfunktionalität zu verbessern, können zusätzlich Treibmittel zum Aufschäumen des Hilfsmaterials eingesetzt werden. Hierdurch werden innere Spannungen im Hilfsmaterial erzeugt. Das Hilfsmaterial dehnt sich während des Fertigungsprozesses aus und wird dadurch gegen das Werkzeug gedrückt. Dadurch kann zugleich ein chemischer Schrumpf im Hilfsmaterial ausgeglichen werden. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, das Hilfsmaterial in einem Spezialverfahren wie die Spaltinjektion zu adaptieren. Hierbei wird eine Komprimierbarkeit der Dichtung benötigt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 schematisch in einem RTM-Prozess das Einbringen eines fließfähigen Hilfsmaterials zur Beeinflussung des Harzflusses in den Vorformling,
- 2 Möglichkeiten zur Prozessierung der Verfahrensschritte des Einbringens eines Hilfsmaterials und des Tränkens mit Harz in einem RTM-Prozess,
- 3 schematisch in einem RTM-Prozess die entstehende Fließfront beim Einbringen eines fließfähigen Hilfsmaterials,
- 4 schematisch die Auswirkungen einer Sperrschicht auf das Eindringen eines fließfähigen Hilfsmaterials in einen Vorformling,
- 5 schematisch verschiedene Profilformen für eine Sperrschicht und
- 6 schematisch in einem RTM-Prozess die entstehende Fließfront des Harzes bei Einsatz einer Sperrschicht als Hilfsmaterial.
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In 1 ist schematisch für ein RTM-Verfahren das Einbringen eines fließfähigen Hilfsmaterials 14 zur Beeinflussung des Harzflusses dargestellt. Die Zeitschiene t verläuft hierbei von oben nach unten.
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Beim RTM-Verfahren wird ein Vorformling 1 mit einem trockenen Fasergerüst 2 in die Kavität 3 eines Werkzeugs 4 eingelegt. Zur Tränkung des trockenen Fasergerüsts 2 mit Harz 15 weist das Werkzeug 4 einen Einlass 7 und einen Auslass 8 auf. Der Auslass 8 für das Harz 15 ist hierbei optional. Weiter weist das Werkzeug 4 zur Einbringung eines fließfähigen Hilfsmaterials 14 einen Einlass 9 und einen Auslass 10 auf. Auch der Auslass 10 für das Hilfsmaterial 14 ist hierbei optional.
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Damit der Vorformling 1 in die Kavität 3 des Werkzeugs 4 eingelegt werden kann, ist hinsichtlich seiner geometrischen Form eine negative Tolerierung gegenüber der Kavität 3 des Werkzeugs 4 erforderlich. Hierdurch entsteht ein von Toleranzen und von dem Prozessschritt des Einlegens des Vorformlings 1 abhängiger Zwischenraum 11 zwischen dem eingelegten Vorformling 1 und dem Werkzeug 4. Über diesen in gewissem Umfang unspezifischen Zwischenraum 11 kann während des Tränkvorgangs Harz 15 undefiniert fließen, wodurch das Füllbild des Vorformlings 1 beeinflusst ist.
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Um den Einfluss des undefinierten RTR-Zwischenraums 11 auf die Ausgangsgrö-ßen des fertigen Bauteils zu eliminieren, wird vor Beginn des Tränkvorgangs über den Einlass 9 ein fließfähiges Hilfsmaterial 14 zwischen den Vorformling 1 und das Werkzeug 4 eingebracht. Da der Zwischenraum 11 im Vergleich zu den Poren, Zwischenräumen und Hohlräumen innerhalb des vorkompaktierten Fasergerüsts 2 des Vorformlings 1 räumlich größer dimensioniert ist, verteilt sich das fließfähige Hilfsmaterial 14 zunächst bevorzugt in diesem Zwischenraum 11 und dringt noch nicht in das Fasergerüst 2 des Vorformlings 1 ein. Idealerweise füllt das fließfähige Hilfsmaterial 14 den Zwischenraum 11 zwischen dem Vorformling 1 und dem Werkzeug 4 aus, wobei es kaum oder gar nicht in den Vorformling 1 eindringt. Anschließend härtet das Hilfsmaterial 14 (es ist ein aushärtendes Harzsystem eingesetzt) aus. Der Zwischenraum 11 ist nun abgeschlossen.
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Mit dem Einbringen des fließfähigen Hilfsmaterials 14 wird zeitlich versetzt über den Einlass 7 ein fließfähiges Harz 15 in den Vorformling 1 injiziert. Da der Zwischenraum 11 zwischen dem Vorformling 1 und dem Werkzeug 4 durch das ausgehärtete Hilfsmaterial 14 gefüllt bzw. verschlossen ist, resultiert für das eingebrachte fließfähige Harz 15 eine definierte Verteilung innerhalb des Fasergerüsts 2 des Vorformlings 1. Das resultierende Füllbild ist von RTR-Kanälen im Zwischenraum 11 nicht beeinflusst.
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In 2 sind für ein RTM-Verfahren verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung bzw. zur Prozessierung der Verfahrensschritte 20 zum Einbringen des Hilfsmaterials und 22 zur Tränkung mit Harz dargestellt. In 2a) wird das Hilfsmaterial vor dem Tränken mit Harz eingebracht und dieser Verfahrensschritt 20 auch vor dem Verfahrensschritt 22 des Tränkens beendet. Gemäß 2b) ist der Verfahrensschritt 20 des Einbringens des Hilfsmaterials noch nicht abgeschlossen, wenn der Tränkprozess 22 mit Harz beginnt. In den 2c) und 2d) verschiebt sich der Beginn des Verfahrensschrittes 20 zum Einbringen des Hilfsmaterials zunehmend in Richtung des Verfahrensschrittes 22 der Tränkung mit Harz. In den 2e) und 2f) wird die Einbringgeschwindigkeit bzw. der Fluss des Hilfsmaterials und die Dauer des Verfahrensschrittes 20 zum Einbringen des Hilfsmaterials variiert.
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Es wird ersichtlich, dass durch die gegebenen Möglichkeiten der Kombination des Verfahrensschrittes 20 zum Einbringen des Hilfsmaterials und des Verfahrensschrittes 22 zum Tränken mit Harz Optimierungsmöglichkeiten für das RTM-Verfahren bestehen. So kann über die Prozesszeit der Verfahrensschritte 20 und/oder 22 Einfluss auf das Füllbild genommen werden. Auch durch unmittelbare Einflussnahme des fließfähigen Hilfsmaterials auf den Fließweg des Harzes kann der Gesamtprozess hinsichtlich des erzielten Füllbildes optimiert werden. Überlappen sich die beiden Verfahrensschritte 20 und 22 zeitlich, so wird die Prozesszeit des RTM-Verfahrens durch das Einbringen des Hilfsmaterials nicht oder nur unwesentlich beeinflusst.
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In 3 ist schematisch die Fließfront 24 eines fließfähigen Hilfsmaterials 14 in das Fasergerüst 2 des Vorformlings 1 entsprechend dem in 1 dargestellten Verfahren gezeigt. Auf Seiten des Einlasses 9 für das Hilfsmaterial 14 dringt dieses weiter in das Fasergerüst 2 des Vorformlings 1 ein als auf der abgewandten Seite auf Seiten des Auslasses 10. Auf der Einlassseite kommt das Hilfsmaterial 14 zunächst in Kontakt mit dem Fasergerüst 2. Erst nach Verteilung über den Zwischenraum 11 erreicht das Hilfsmaterial 14 nach Umfließen des Vorformlings 1 dessen Rückseite. Die in 3 dargestellte Eindringtiefe des Hilfsmaterials 14 ist rein schematisch zu verstehen und entspricht nicht den tatsächlichen Gegebenheiten.
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Über nichtreaktive Füllstoffe und/oder über reaktive Füllstoffe, die die Eigenschaften des Hilfsmaterials 14 entsprechend modifizieren, lässt sich die Eindringtiefe und auch die Form der Fließfront 24 des Hilfsmaterials 14 in den Vorformling 1 beeinflussen.
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In 4 sind schematisch für einen Vorformling 1 mit einem Faserstapel 25 die Möglichkeiten zur Beeinflussung der Eindringtiefe des Hilfsmaterials 14 mittels einer Sperrschicht 27 gezeigt. Auf der linken Seite des Vorformlings 1 ist jeweils ein Zwischenraum 11 bzw. ein definiert vorgegebener RTR-Bereich 26 dargestellt, der zunächst mit fließfähigem Hilfsmaterial 14 befüllt wird. Zwischen dem RTR-Bereich 26 und dem noch trockenen Faserstapel 25 ist jeweils eine Sperrschicht 27 eingebracht. Dabei nimmt deren Durchlässigkeit für das Hilfsmaterial 14 von 4a) zu 4c) zu.
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In 4a) ist eine Sperrschicht 27 eingebracht, die für das Hilfsmaterial 14 nicht durchdringbar ist. Infolge dessen gelangt Hilfsmaterial 14 aus dem RTR-Bereich 26 weder in die Sperrschicht 27 noch in den Bereich des trockenen Faserstapels 25 hinein.
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Gemäß 4b) weist die Sperrschicht 27 eine gewisse Permeabilität für das fließfähige Hilfsmaterial 14 auf. Die Sperrschicht 27 ist hierbei beispielsweise als ein Vlies oder als ein Gewebe ausgebildet. Beim Einbringen des Hilfsmaterials 14 in den RTR-Bereich 26 dringt etwas Hilfsmaterial 14 in die Sperrschicht 27 ein. Nach dem Aushärten ergibt sich der dargestellte Verlauf. Im trockenen Faserstapel 25 befindet sich kein Hilfsmaterial 14.
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Gemäß 4c) weist die Sperrschicht 27 gegenüber 4b) eine weiter erhöhte Permeabilität für das fließfähige Hilfsmaterial 14 auf. Im ausgehärteten Zustand ist das Hilfsmaterial 14 bis zu einer gewissen Eindringtiefe in den Bereich des Faserstapels 25 eingedrungen.
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In 5 sind Beispiele für als Festkörper ausgestaltete Sperrschichten 28 dargestellt. Gemäß 5a ) weist die Sperrschicht 28 ein U-förmiges Profil auf. Das Profil der Sperrschicht 28 ist in 5b ) H-förmig ausgebildet. Gemäß 5c) ist das Profil der Sperrschicht 28 kappenförmig ausgebildet.
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In den Ausführungsvarianten gemäß 5 umschließt die Sperrschicht 28 in Form eines festen Profils in einem Randbereich den Faserstapel 25 des Vorformlings 1. Durch dieses Umschließen kann die Sperrschicht 28 bzw. das entsprechende Profil mit dem Faserstapel 25 verbunden werden. Das kappenförmige Profil entsprechend 5c ) kann insbesondere zur Gestaltung einer Endkontur des fertigen Bauteils verwendet werden und insofern fest und dauerhaft am Bauteil verbleiben.
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In 6 ist schematisch für ein RTM-Verfahren das Vorsehen einer aus einem Festkörper, beispielsweise aus Metall, gefertigten Sperrschicht 28 dargestellt, die hier zum definierten Steuern der Fließfront des Harzes 15 der Matrix eingesetzt ist. Die Sperrschicht 28 ist durch Einbringen von Löchern für das Harz 15 in gewissem Umfang permeabel gemacht. Zwischen dem Vorformling 1 und dem Werkzeug 4 ist jeweils eine umschließende Sperrschicht 28 eingebracht, die in 6a ) gegenüber 6b ) eine verringerte Permeabilität aufweist.
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Über den Einlass 7 wird fließfähiges Harz 15 in die Kavität des Werkzeugs 4 eingebracht. Über den Auslass 8 kann überschüssiges Harz abgeführt werden. Durch die umgebende Sperrschicht 28 wird injiziertes Harz 15 gezwungen, zunächst im Wesentlichen an dem Vorformling 1 vorbeizufließen. Über an der Rückseite angebrachte Öffnungen 30 in der Sperrschicht 28 dringt das Harz 15 mit einer definierten Fließfront 24 in das Fasergerüst 2 des Vorformlings 1 ein (vgl. 6a)). Über die Anordnung und die Form der Öffnungen 30 kann die Fließfront 24 definiert eingestellt werden.
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Über die erhöhte Permeabilität der Sperrschicht 28 gemäß 6b ) kann das Harz im Unterschied zu 6a) zu einem gewissen Umfang auch über einen Randbereich in den Vorformling 1 eindringen.
