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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils durch Spritzpressen.
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Beim Spritzpressen (auch als Resin Transfer Moulding bzw. RTM-Verfahren bezeichnet) wird ein Verstärkungsfasern enthaltendes Ausgangsmaterial, wobei es sich insbesondere um ein formbares oder bereits vorgeformtes Faserhalbzeug handelt, in die Kavität eines geöffneten Werkzeugs eingelegt. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird eine Kunststoff- bzw. Harzmasse (bspw. ein Epoxydharz) unter Druck in die Kavität eingespritzt, welche sich mit dem faserhaltigen Ausgangsmaterial verbindet und sodann unter Einwirkung von Wärme und/oder Druck aushärtet. Nach dem Aushärten kann das Werkzeug geöffnet und das auf diese Weise hergestellte faserverstärkte Kunststoffbauteil entnommen und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Varianten des Spritzpressens bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren eingangs genannter Art anzugeben, dass wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils durch Spritzpressen umfasst zumindest folgende Schritte:
- – Einlegen wenigstens eines faserhaltigen Ausgangsmaterials (gegebenenfalls auch in mehreren Lagen) in die Kavität eines geöffneten Werkzeugs;
- – Schließen des Werkzeugs, wobei die Schließbewegung vor Erreichen einer Schließendlage bei einem definierten Abstand der Werkzeugteile angehalten wird;
- – gegebenenfalls Erzeugen eines Vakuums in der Kavität;
- – Einspritzen wenigstens einer Kunststoffmasse in die Kavität;
- – Fortsetzen der Schließbewegung bis in die Schließendlage, wobei sich vorzugsweise die eingespritzte und insbesondere noch flüssige Kunststoffmasse gleichmäßig in der Kavität verteilt und hierbei insbesondere das faserhaltige Ausgangsmaterial benetzt, infiltriert und/oder durchtränkt.
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Das bereitgestellte Werkzeug umfasst mehrere Werkzeugteile und weist insbesondere ein erstes Werkzeugteil (bspw. ein Werkzeugunterteil) und ein zweites Werkzeugteil (bspw. ein Werkzeugoberteil) auf, die zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs relativ zueinander verfahrbar sind und die zwischen sich in bekannter Weise eine Kavität begrenzen. Die Schließbewegung wird also durch Verfahren bzw. Verfahrbewegungen eines oder beider Werkzeugteile bewerkstelligt. Die Schließendlage des Werkzeugs bzw. der Werkzeugteile kann durch mechanische Anschläge oder eine definierte Schließkraft bestimmt sein.
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Die fortgesetzte Schließbewegung beim erfindungsgemäßen Verfahren erfüllt eine andere Funktion als das aus dem Stand der Technik bekannte Nachdrücken in der Schließendlage während des Aushärtens, wobei die, insbesondere kraftgesteuerten, Werkzeugteile typischerweise keine Verfahrbewegungen und insbesondere keine oder zumindest keine definierten Verfahrbewegungen ausführen. Ein solches Nachdrücken kann im Übrigen auch beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß nehmen die Werkzeugteile während des Einspritzvorgangs eine temporäre Lage ein, in der der Abstand zwischen den Werkzeugteilen größer ist, als der Abstand in der Schließendlage. Die Werkzeugteile befinden sich somit beim Einspritzen der Kunststoff- bzw. Harzmasse in die Kavität außerhalb ihrer endgültigen Schließendlage. Das Werkzeug ist somit während des Einspritzvorgangs quasi noch gering geöffnet. Dadurch wird die Permeabilität des Ausgangsmaterials verbessert; wodurch der sich einstellende Werkzeuginnendruck (Kavitätsinnendruck) reduziert und der Einspritzdruck verringert werden kann. Dies hat einerseits positiven Einfluss auf die Werkzeugbaukosten und die benötigte Pressenkraft, so dass kleinere Pressen als bislang verwendet werden können (Reduzierung der Anlageninvestition). Andererseits wird auch die Durchtränkung des Ausgangsmaterials verbessert und trockene Stellen im Bauteil werden vermieden, was zu einer verbesserten Bauteilqualität beiträgt. Ferner wird ein höherer Füllvolumenstrom ermöglicht, wodurch die Füllzeit und somit auch die Zykluszeit reduziert werden.
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Bevorzugt wird die Schließbewegung beim Schließen des Werkzeugs derart ausgeführt, dass die Werkzeugteile zunächst ihre Schließendlage erreichen und dann wenigstens eines der Werkzeugteile (bspw. nur das Werkzeugoberteil) in die temporäre Lage mit definierten Abstand für den Einspritzvorgang bewegt und insbesondere zurückbewegt wird. Das Werkzeug wird also beim Schließen zuerst bis zum Erreichen der Schließendlage geschlossen und dann wieder um eine definierte Wegstrecke geöffnet. Sodann erfolgt das Einspritzen der Kunststoffmasse in die Kavität und das Fortsetzen der Schließbewegung bis in die Schließendlage. Diese Vorgehensweise kann, bspw. im Hinblick auf die Steuerung, vorteilig sein, insbesondere bei schweren Werkzeugen. Ferner kann hierdurch das in der Kavität befindliche faserhaltige Ausgangsmaterial vorkompaktiert werden.
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Bevorzugter Weise erfolgt die fortgesetzte Schließbewegung, insbesondere sofort oder gegebenenfalls auch mit einer Pause, nach Abschluss des Einspritzvorgangs, um eine möglichst kurze Zykluszeit zu erreichen. Ebenso kann die fortgesetzte Schließbewegung bereits in der letzten Phase des Einspritzvorgangs beginnen, wodurch die Zykluszeit weiter verkürzt werden kann.
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Der maximale Verfahrweg bzw. die maximale Wegstrecke bei der fortgesetzten Schließbewegung kann bis zu 5,0 mm betragen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die maximale Wegstrecke nicht mehr als 1,0 mm, bevorzugt nicht mehr als 0,8 mm und insbesondere nicht mehr als 0,5 mm beträgt. Der Abstand der Werkzeugteile in der Schließendlage (insbesondere bemessen innerhalb der Kavität) zuzüglich dieses Verfahrwegs ergibt den temporären definierten Abstand der Werkzeugteile während des Einspritzvorgangs.
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Das Werkzeug kann wenigstens eine Messeinrichtung aufweisen, mit der der Abstand zwischen den Werkzeugteilen in Echtzeit gemessen werden kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung eine hohe Auflösung (wenigstens im Bereich von Hunderstel Millimeter) aufweist. Bei der Messeinrichtung handelt es sich bspw. um einen taktilen bzw. berührenden oder berührungslosen Abstands- oder Wegmesssensor.
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Bevorzugt ist das Werkzeug in einer Presse eingebaut und weist ein auf dem Pressentisch angeordnetes, feststehendes Werkzeugunterteil (Untermatrize) und ein am Pressenstößel befestigtes, bewegbares Werkzeugoberteil (Obermatrize) auf. Durch Bewegen des Pressenstößels kann das Werkzeugoberteil zum Schließen und Öffnen des Werkzeugs abgesenkt und angehoben werden. Ferner kann über den Pressenstößel eine Schließkraft aufgebracht werden.
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Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass die Bewegungssteuerung des Werkzeugoberteils durch die Presse bewerkstelligt wird, wozu die Pressensteuerung die von der wenigstens einen im Werkzeug verbauten Messeinrichtung gemessenen Messwerte (Abstandswerte), insbesondere in Echtzeit, verwendet. Die von der werkzeugseitigen Messeinrichtung gemessenen Messwerte werden somit von der Pressesteuerung zur präzisen Bewegungssteuerung des Werkzeugoberteils herangezogen.
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Bei den im Ausgangsmaterial enthaltenen Verstärkungsfasern handelt es sich bevorzugt um Kohlenstofffasern zur Herstellung eines kohlenstofffaserverstärkten Bauteils (CFK-Bauteil) oder um Glasfasern zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Bauteils (GFK-Bauteil), wobei auch andere Verstärkungsfasern (wie bspw. mineralische Fasern, Metallfasern, Naturfasern, Recylingfasern und dergleichen) vorgesehen sein können.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines flächigen faserverstärkten Kunststoffbauteils, wobei es sich vorzugsweise um ein flächiges Kraftfahrzeugbauteil und insbesondere um ein flächiges Karosseriebauteil handelt, verwendet wird. Bei dem herzustellenden faserverstärkten Kunststoffbauteil kann es sich demnach um ein flächiges Bauteil, vorzugsweise um ein flächiges Kraftfahrzeugbauteil und insbesondere um ein flächiges Karosseriebauteil handeln. Unter einem flächigen faserverstärkten Kunststoffbauteils wird vorrangig ein sich flächig erstreckendes und insbesondere auch räumlich komplex geformtes Bauteil verstanden, das in Bezug zu seiner flächigen Erstreckung eine verhältnismäßig geringe Dicke bzw. Stärke aufweist, die bspw. in einem Bereich von 0,5 mm bis 6 mm liegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner auch zur Herstellung eines faserverstärkten Sandwich-Kunststoffbauteils, wobei es sich vorzugsweise um ein Sandwich-Kraftfahrzeugbauteil und insbesondere um ein Sandwich-Karosseriebauteil handelt, verwendet werden. Bei dem herzustellenden faserverstärkten Kunststoffbauteil kann es sich demnach um ein Sandwich-Bauteil, vorzugsweise um ein Sandwich-Kraftfahrzeugbauteil und insbesondere um ein Sandwich-Karosseriebauteil handeln. Ein solches faserverstärktes Sandwich-Kunststoffbauteil umfasst einen Kern der einseitig, beidseitig, mehrseitig oder vollständig von einem faserverstärkten Kunststoffmantel umgeben ist. Das faserverstärkte Sandwich-Kunststoffbauteil kann eine Dicke von bis zu 150 mm und mehr aufweisen, wobei der faserverstärkte Kunststoffmantel eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 6 mm aufweisen kann. Aufgrund des verringerten Einspritzdrucks während des Einspritzvorgangs können auch druckempfindliche, dafür jedoch besonders leichte (aufgrund eines geringen spezifischen Gewichts), Kernmaterialien verwendet werden, wie bspw. ein Polymerschaum oder dergleichen. Bei dem Kern kann es sich auch um eine Kernstruktur handeln.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand der Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten und/oder die nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in drei schematischen Schnittdarstellungen unterschiedliche Phasen beim Herstellen eines flächigen faserverstärkten Kunststoffbauteils.
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2 zeigt in einer Schnittdarstellung die Endphasen beim Herstellen eines faserverstärkten Sandwich-Kunststoffbauteils.
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Das in 1 gezeigte Spritzpresswerkzeug bzw. RTM-Werkzeug 100 ist in einer nicht gezeigten Presse oder Schließvorrichtung eingebaut. Das Werkzeug 100 umfasst ein erstes, unteres Werkzeugteil 110 und ein zweites, oberes Werkzeugteil 120, die zwischen sich eine Kavität 130 begrenzen. Das Werkzeugunterteil 110 ist auf dem Pressentisch angeordnet und das Werkzeugoberteil 120 ist hierzu relativbeweglich am Pressenstößel befestigt. Durch Absenken des Pressenstößels kann das Werkzeug 100 geschlossen und eine Schließkraft aufgebracht werden. Durch Anheben des Pressenstößels kann das Werkzeug 100 geöffnet werden.
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In dem gezeigten Beispiel sind die Werkzeugteile 110 und 120 mit sich vertikal erstreckenden und einander zugewandten Schließflächen ausgebildet. Die Abdichtung der Kavität 130 erfolgt hier mit einer horizontal zwischen diesen Schließflächen wirkenden Dichtung 140. Die erzielte Dichtwirkung ist unabhängig vom Abstand der beiden Werkzeugteile 110 und 120. Die Abdichtung der Kavität 130 kann auch auf andere Weise, bspw. mit einer konventionell vertikal zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120 abdichtenden Dichtung, wozu im Besonderen eine einstellbare oder druckbeaufschlagbaren Dichtung geeignet sein kann, erfolgen.
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Mit 125 ist ein beispielhaft im Werkzeugoberteil 120 angeordneter Injektionskanal zum Einspritzen einer Kunststoff- bzw. Harzmasse in die Kavität 130 bezeichnet. Das Werkzeug 100 kann mehrere solche Injektionskanäle aufweisen, die auch im Werkzeugunterteil 110 angeordnet sein können. Mit 150 ist eine im Werkzeug 100 verbaute Messeinrichtung bezeichnet, mit der der Abstand zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120 in Echtzeit gemessen und dadurch der wirksame Abstand zwischen den Kavitätswirkflächen innerhalb der Kavität 130 bestimmt werden kann. Die gezeigte Anordnung ist nur beispielhaft. Das Werkzeug 100 kann mehrere solche Messeinrichtungen 150 aufweisen.
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Nachfolgend wird anhand der Teilfiguren a.), b.) und c.) die erfindungsgemäße Vorgehensweise beim Herstellen eines flächigen faserverstärkten Kunststoffbauteils mit dem Werkzeug 100 erläutert.
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Nach dem Einlegen eines faserhaltigen Ausgangsmaterials M in die Kavität 130 wird das Werkzeug 100 durch Absenken des Werkzeugoberteils 120 geschlossen, wie in 1a gezeigt. Erfindungsgemäß wird die Schließbewegung vor Erreichen der in 1c gezeigten Schließendlage A vorübergehend gestoppt bzw. angehalten, wie in 1b gezeigt. Die beiden Werkzeugteile 110 und 120 weisen in dieser temporären Lage bzw. Position B einen definierten Abstand auf, der um den definierten Verfahrweg S größer ist, als der Abstand in der Schließendlage A. Alternativ kann das Werkzeugoberteil 120 bis zur Schließendlage A abgesenkt und dann wieder um die Wegstrecke S geöffnet werden, um das Werkzeugoberteil 120 in die temporäre Lage B zu bewegen.
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Sobald das Werkzeugoberteil 120 seine temporäre Lage B eingenommen hat und in dieser Lage gehalten wird, beginnt der Einspritzvorgang, wobei eine definierte Menge Kunststoff- bzw. Harzmasse K in die geschlossene und abgedichtete Kavität 130 eingespritzt wird. Dies ist in 1b gezeigt. Der sich hierbei in der Kavität 130 aufbauende Werkzeuginnendruck (Kavitätsinnendruck) bleibt verhältnismäßig gering (bspw. kleiner 10 bar), was ein schnelles Einspritzen der Kunststoffmasse K mit hohem Füllvolumenstrom und niedrigem Einspritzdruck ermöglicht. Wegen des noch verhältnismäßig großen Abstands der Kavitätswirkflächen kann sich die eingespritzte Kunststoffmasse K sehr gut in der Kavität 130 vorverteilen.
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Nach Abschluss des Einspritzvorgangs oder in der letzten Phase des Einspritzvorgangs wird die Schließbewegung durch Absenken des Werkzeugoberteils 120 um den Verfahrweg S bis in die Schließendlage A fortgesetzt, wie in 1b mit dem Pfeil F veranschaulicht. Der definierte Verfahrweg S liegt typischerweise im Bereich weniger Zehntel Millimeter.
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Aufgrund des hierbei ansteigenden Werkzeuginnendrucks wird zunächst die in der Kavität 130 befindliche Kunststoffmasse K gleichmäßig innerhalb der Kavität 130 nachverteilt und kann hierbei das faserhaltige Ausgangsmaterial M vollflächig benetzen. Im Weiteren wird die Kunststoffmasse K in das faserhaltige Ausgangsmaterial M eingepresst, welches infolgedessen mit der Kunststoffmasse K infiltriert und/oder durchtränkt wird. Der Druck hierfür wird nicht durch eine Einspritzeinrichtung für die Kunststoffmasse K erzeugt, sondern durch die fortgesetzte Schließbewegung zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120.
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1c zeigt das Werkzeug 100 in Schließendlage, wobei sich das Werkzeugoberteil in der Endstellung A befindet. Nach dem Aushärten der eingespritzten Kunststoffmasse K, was gegebenenfalls unter Nachdruck erfolgt, kann das Werkzeug 100 geöffnet und das faserverstärkte Kunststoffbauteil P entnommen werden.
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Die Bewegungssteuerung des Werkzeugoberteils 120 erfolgt durch die Presse, wobei die Pressensteuerung die von der Messeinrichtung 150 gemessenen Messwerte steuernd oder gegebenenfalls auch regelnd verwendet. Die Presse bildet zusammen mit dem Werkzeug 100 eine Vorrichtungseinheit.
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2 zeigt die Herstellung eines Sandwich-Kunststoffbauteils P' in der Endphase, wobei sich das Werkzeugoberteil 120 in der Schließendlage A befindet. Das Sandwich-Kunststoffbauteils P' weist einen Kern C aus einem geeigneten Kernmaterial, bspw. aus einem Polymerschaum oder dergleichen, auf, der beidseitig (gemäß Darstellung an der Oberseite und der Unterseite) von einem faserverstärkten Kunststoffmantel umgeben ist. Das Sandwich-Kunststoffbauteils P' wird analog zu den vorausgehenden Erläuterungen hergestellt. Hierzu können die verwendeten Ausgangsmaterialien (faserhaltiges Ausgangsmaterial und wenigstens ein Kernausgangsmaterial) in Form einzelner Schichten bzw. Lagen oder in Form wenigstens einer vorkonfektionierten bzw. zusammengesetzten Preform in die Kavität 130 eingelegt werden. Der geringe Werkzeuginnendruck während des Einspritzvorgangs erweist sich als besonders vorteilig. Auch während des Absenkens des Werkzeugoberteils 120 aus der temporären Lage B in die Schließendlage A kann der Werkzeuginnendruck gering gehalten werden, wodurch der Kern C vor Verformung und/oder Kompression geschützt ist.
