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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus faserverstärktem Kunststoff gemäß Anspruch 5.
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Verfahren und Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie dienen letztlich der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, die auch als Faserverbundbauteile bezeichnet werden. Dabei wird zunächst ein Faserhalbzeug bereitgestellt, welches typischerweise als bevorzugt mehrschichtiges Gewebe oder Gelege ausgebildet ist. Ein thermisch aktivierbarer Binder wird insbesondere in Trennebenen oder in das Faserhalbzeug selbst eingebracht, der nach seiner Aktivierung beziehungsweise Aushärtung eine vorgeformte Geometrie des Faserhalbzeugs festlegen und die verschiedenen Schichten eines mehrschichtigen Faserhalbzeugs gegeneinander fixieren kann. Durch dreidimensionales Vorformen des Faserhalbzeugs und Aktivieren beziehungsweise Aushärten des Binders entsteht aus dem zunächst biegeschlaffen Material des Faserhalbzeugs ein Vorformling, der zumindest so biegesteif ist, dass er transportiert, gelagert sowie weiterverarbeitet werden kann. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil wird typischerweise aus dem Vorformling hergestellt, indem dieser in eine Presse eingebracht wird, in welcher er endgeformt wird, wobei in die Kavität der Presse ein Harz injiziert wird, der die Faserstruktur des Vorformlings imprägniert, wobei diese fest in eine typischerweise thermoplastische Matrix eingebunden wird.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 076 151 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus einem faserverstärkten Kunststoff hervor, wobei zur Aktivierung des Binders zwei Temperiersysteme vorgesehen sind, von denen das eine elektrisch und das andere mithilfe von temperierten Fluiden betrieben wird. Um den Binder zu aktivieren, wird eine gesamte Werkzeugkavität vollständig erwärmt und wieder abgekühlt. Dies erfordert eine sehr hohe Prozesszeit und ist energie- und damit kostenintensiv.
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Alternativ ist es auch bekannt, ein Faserhalbzeug mithilfe vorgeschalteter Erwärmungsstationen zu erwärmen und anschließend in einem selbst nicht erwärmten, mithin kalten Werkzeug umzuformen. Nachteilig hierbei ist, dass der Binder rasch abkühlt, sodass er teilweise bereits bei der Drapierung aushärtet, was diese erschwert und letztlich keine Versteifung des umgeformten Vorformlings mehr erlaubt. Auch erstarrt der Binder bereits lokal beim Umformen durch den Kontakt mit dem kalten Werkzeug.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere soll es mithilfe des Verfahrens und der Vorrichtung möglich sein, aus einem Faserhalbzeug rasch und kostengünstig sowie wenig energieintensiv in kontrollierter Weise einen hochwertigen Vorformling zu erzeugen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dabei wird ein Faserhalbzeug bereitgestellt, das einen thermisch aktivierbaren Binder umfasst. Das Faserhalbzeug wird in einen Einlaufbereich eines Umformwerkzeugs eingebracht, wobei das Faserhalbzeug in dem Einlaufbereich erwärmt wird. Alternativ bzw. zusätzlich kann das Halbzeug bereits vor dem Einbringen in den Einlaufbereich vorerwärmt werden, z. B. durch einen Infrarotstrahler oder ein Kontaktheizfeld. Schließlich wird das Faserhalbzeug in einem Aushärtebereich des Umformwerkzeugs drapiert, wobei es in dem Aushärtebereich dreidimensional geformt, und wobei der Binder ausgehärtet wird. Dadurch, dass das Faserhalbzeug zunächst in den Einlaufbereich und anschließend in den Aushärtebereich eingebracht wird, ist es nicht nötig, das gesamte Werkzeug zunächst auf eine Aktivierungs- oder Erweichungstemperatur des Binders zu erwärmen und anschließend auf eine Aushärtetemperatur abzukühlen. Vielmehr sind der Einlaufbereich und der Aushärtebereich voneinander räumlich und thermisch getrennt, sodass sie auf verschiedenen Temperaturen gehalten werden können. Zugleich sind der Einlaufbereich und der Aushärtebereich von dem gleichen Umformwerkzeug umfasst, insbesondere benachbart angeordnet, sodass das Faserhalbzeug rasch von dem Einlaufbereich in den Aushärtebereich eingezogen und drapiert werden kann. Die Herstellung des Vorformlings erfordert daher weder lange Prozesszeiten, weil das sequentielle Aufheizen und Abkühlen des Werkzeugs entfällt, noch besteht die Gefahr, dass der Binder bereits aushärtet, bevor das Faserhalbzeug drapiert ist, weil der Einlaufbereich und der Aushärtebereich von demselben Umformwerkezuge umfasst und bevorzugt benachbart zueinander angeordnet sind, sodass sich sehr kurze Verlagerungswege für das erwärmte Faserhalbzeuge ergeben.
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Bevorzugt wird der Einlaufbereich auf einer ersten Temperatur gehalten, die mindestens einer Erweichungs- oder Aktivierungstemperatur des Binders entspricht. Der Aushärtebereich wird vorzugsweise auf einer zweiten, von der ersten Temperatur verschiedenen Temperatur gehalten, und ist vorzugweise im Vergleich hierzu kalt, sodass der Binder im Kontakt mit dem Aushärtebereich aushärtet.
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Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise ein Faserhalbzeug eingesetzt, welches als Gewebe, Gelege, Gestrick, Gewirk, Geflecht oder in anderer Weise und bevorzugt mehrschichtig, besonders bevorzugt als Multiaxialgelege, ausgebildet ist. Als Binder wird vorzugsweise ein Bindervlies, ein Pulverbinder oder ein Bindergranulat verwendet, wobei insbesondere eine thermoplastische Wirrfadenmatte, ein Epoxidharz mit thermoplastischem Charakter und/oder ein Thermoplast zur Anwendung kommen kann/können. Weiterhin können Mischgarne verwendet werden, bei denen eine Komponente des Rovings als Binderfäden ausgeführt sein können.
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Es wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Faserhalbzeug in dem Einlaufbereich resistiv, induktiv, in einem Durchlaufofen, durch Warmluft, durch Strahlungswärme und/oder durch Kontakt mit mindestens einem Erwärmungselement erwärmt wird. Dabei ist es insbesondere möglich, dass das Faserhalbzeug in dem Einlaufbereich durch mindestens ein Erwärmungselement erwärmt wird, welches ein Bestandteil des Einlaufbereichs ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Faserhalbzeug durch eine in dem Einlaufbereich angeordnete Strahlungsquelle, vorzugsweise einen Infrarotstrahler, erwärmt wird. Es ist auch möglich, dass das Faserhalbzeug durch einen in dem Einlaufbereich angeordneten oder den Einlaufbereich bildenden Durchlaufofen zu dem Aushärtebereich geführt wird.
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Es wird auch ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Materialeinzug des Faserhalbzeugs in den Aushärtebereich durch wenigstens einen Niederhalter und wenigstens einen mit dem Niederhalter zusammenwirkenden Gegenhalter gesteuert wird. Dabei wird das Faserhalbzeug vorzugsweise in einer Richtung, die senkrecht auf einer Einzugsrichtung des Faserhalbzeugs in den Aushärtebereich steht, von dem Niederhalter gegen den Gegenhalter gedrängt, wodurch Reibungskräfte, die dem Materialeinzug des Faserhalbzeugs in den Aushärtebereich entgegenwirken, erzeugt und vorzugsweise prozessgerecht gesteuert beziehungsweise angepasst werden können, um einen möglichst faltenfreien Materialeinzug und somit ein definiertes Drapieren des Faserhalbzeugs in dem Aushärtebereich ermöglichen. Vorzugsweise werden die Einzugskräfte lokal und bedarfsgerecht durch eine Vielzahl von Niederhaltern beeinflusst, wobei die verschiedenen Niederhalter das Faserhalbzeug gegen einen gemeinsamen Gegenhalter oder gegen eine Vielzahl den Niederhaltern zugeordneter Gegenhalter drängen können. Auf diese Weise ist es möglich, die Verformungseigenschaften des Faserhalbzeugs beim Drapieren lokal anzupassen, um die Drapierung möglichst fehlerfrei zu gestalten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Gegenhalter erwärmt wird. Insofern wirkt der Gegenhalter als Erwärmungselement, wobei das Faserhalbzeug durch Kontakt mit dem Gegenhalter insbesondere während des Einzugs in den Aushärtebereich erwärmt wird. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der Niederhalter erwärmt wird. In diesem Fall dient der Niederhalter als Erwärmungselement, wobei das Faserhalbzeug durch den Kontakt mit ihm während des Materialeinzugs in den Aushärtebereich erwärmt wird. Auf diese Weise lassen sich besonders kurze Prozesszeiten erzielen, weil quasi die Drapierung und die Aktivierung des Binders als Vorgang zusammenfallen, wobei der Binder während des Drapierens und zeitgleich zu diesem aktiviert wird. Sobald das Faserhalbzeug in den Aushärtebereich eingezogen und dort drapiert wird, härtet der Binder vorzugsweise aus, sodass das gesamte Verfahren eine äußerst geringe Prozesszeit verwirklicht.
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Schließlich wird ein Verfahren bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Aushärtebereich auf einer Temperatur gehalten wird, die höchstens gleich einer Aushärtetemperatur des Binders ist. Durch die gezielte Wahl der Temperatur des Aushärtebereichs ist es möglich, die Geschwindigkeit der Aushärtung des Binders einzustellen. Wird beispielsweise die Temperatur des Aushärtebereichs ungefähr auf dem Niveau der Aushärtetemperatur des Binders gehalten, ergibt sich eine vergleichsweise langsame Aushärtung, was insbesondere bei komplexeren Drapieraufgaben beziehungsweise komplexeren dreidimensionalen Geometrien für den Vorformling bevorzugt sein kann. Wird dagegen die Temperatur des Aushärtebereichs deutlich unter der Aushärtetemperatur gehalten, erstarrt der Binder rascher, wodurch kürzere Prozesszeiten realisierbar sind. Demnach ist es insbesondere bei einfacheren Geometrien für den Vorformling möglich, den Binder rasch bei einer niedrigeren Temperatur auszuhärten und so insgesamt das Verfahren zu beschleunigen.
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Im Rahmen des Verfahrens ist es möglich, dass der Aushärtebereich passiv auf seiner Temperatur gehalten wird. Dies geschieht bevorzugt dadurch, dass die thermische Masse des Aushärtebereichs derart gewählt wird, dass er durch den Kontakt mit dem erwärmten Faserhalbzeug nicht oder höchstens wenig erwärmt wird. Dabei ist bevorzugt insbesondere sichergestellt, dass der Aushärtebereich zwischen zwei Drapiervorgängen hinreichend abkühlt, um nicht während einer Abfolge nacheinander durchgeführter Drapierprozesse immer mehr zu erwärmen, bis ein sicheres Aushärten des Binders nicht mehr möglich ist. Bevorzugt ist der Aushärtebereich gegenüber dem Einlaufbereich thermisch isoliert, sodass hier höchstens ein verzögerter Wärmeübergang von dem Einlaufbereich in den Aushärtebereich stattfindet.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Aushärtebereich aktiv auf seiner Temperatur gehalten wird. Dies wird bevorzugt mithilfe einer dem Aushärtebereich zugeordneten Temperiereinrichtung bewirkt, die eingerichtet ist, den Aushärtebereich auf eine vorherbestimmte Temperatur zu bringen und dort zu halten. Dabei kann hier grundsätzlich jede geeignete Temperiereinrichtung angewendete werden, wobei vorzugsweise eine elektrische und/oder eine auf temperierbaren Fluiden basierende Temperiereinrichtung eingesetzt wird.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 geschaffen wird. Die insbesondere als Umformwerkzeug ausgebildete Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus faserverstärktem Kunststoff dient vorzugsweise der Ausführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Sie weist einen Einlaufbereich zur Anordnung eines umzuformenden Faserhalbzeugs auf, wobei in dem Einlaufbereich mindestens eine Wärmequelle zur Erwärmung des Faserhalbzeugs angeordnet ist. Weiterhin weist sie einen Aushärtebereich auf, der thermisch von dem Einlaufbereich getrennt ist. Der Aushärtebereich ist ausgebildet zur dreidimensionalen Umformung des Faserhalbzeugs und zur Aushärtung eines von dem Faserhalbzeug umfassten Binders. Dabei verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
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Es wird eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Einlaufbereich mindestens einen Niederhalter und wenigstens einen mit dem Niederhalter zusammenwirkenden Gegenhalter aufweist, wobei durch den Niederhalter und den Gegenhalter ein Materialeinzug des Faserhalbzeugs in den Aushärtebereich steuerbar ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist eine Vielzahl von Niederhaltern auf, durch welche der Materialeinzug lokal bedarfsgerecht steuerbar ist. Dabei ist es möglich, dass die Vorrichtung eine Vielzahl von den Niederhaltern zugeordneten Gegenhaltern aufweist. Alternativ ist es möglich, dass ein Gegenhalter vorgesehen ist, oder dass wenige Gegenhalter vorgesehen sind, der/die mit den Niederhaltern insgesamt oder mit Gruppen von Niederhaltern zusammenwirken, um den Materialeinzug des Faserhalbzeugs in den Aushärtebereich lokal und bedarfsgerecht zu steuern.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Wärmequelle als Widerstandsheizung, als Induktionsheizung, als Durchlaufofen, als Warmluftquelle, als Infrarotstrahler und/oder als Erwärmungselement zur Kontakterwärmung ausgebildet ist. Insbesondere dann, wenn die Wärmequelle als Erwärmungselement zur Kontakterwärmung ausgebildete ist, kann sie ohne weiteres selbst Bestandteil des Einlaufbereichs sein beziehungsweise diesen bilden. Dabei ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Wärmequelle als Erwärmungselement zur Kontakterwärmung ausgebildet ist, wobei zusätzlich eine als Infrarotstrahler ausgebildete Wärmequelle in dem Einlaufbereich angeordnet ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist/weisen der Niederhalter und/oder der Gegenhalter die Wärmequelle auf. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Niederhalter und/oder der Gegenhalter als Wärmequelle, insbesondere als Erwärmungselement zur Kontakterwärmung, ausgebildet ist/sind. Dabei bilden bevorzugt der Niederhalter und der Gegenhalter den Einlaufbereich der Vorrichtung.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass in dem Aushärtebereich ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug vorgesehen sind. Das Unterwerkzeug und das Oberwerkzeug schließen miteinander eine Kavität zur Umformung des Faserhalbzeugs ein. Insbesondere sind das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug vorzugsweise relativ zueinander in einer axialen Richtung der Vorrichtung aus einer offenen Position in eine Schließposition verlagerbar, wobei es in der offenen Position möglich ist, das Faserhalbzeug zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug anzuordnen, und wobei das Faserhalbzeug in der Schließposition in die Kavität zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug eingezogen und dort dreidimensional umgeformt wird. Vorzugweise ist zumindest das Unterwerkzeug thermisch von dem Einlaufbereich isoliert. Dabei wird es bevorzugt auf einer Temperatur gehalten, die höchstens gleich einer Aushärtetemperatur des Binders ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Unterwerkzeug im Wesentlichen konkav ausgebildet, während das Oberwerkzeug nach Art eines Stempels und im Wesentlichen konvex ausgebildet ist. Bei der Drapierung des Faserhalbzeugs wird dabei vorzugsweise das Oberwerkzeug auf das Unterwerkzeug zu verlagert, wobei es das Faserhalbzeug in die Kavität des Unterwerkzeugs hineindrängt. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Binder erst dann aushärtet, wenn das Faserhalbzeug mit dem Unterwerkzeug in Kontakt kommt, wobei die Drapierung zumindest nahezu abgeschlossen ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche konkave Gestaltung des Unterwerkzeugs beschränkt, die Geometrien des Werkzeugs können vielmehr beliebige, auch komplexe, Formen annehmen.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem das Oberwerkzeug temperierbar ausgebildet ist. In diesem Fall ist es möglich, das Oberwerkzeug auf einer Temperatur zu halten, welche höher ist als die Aushärtetemperatur des Binders. Das Faserhalbzeug wird dann nicht bereits durch den Kontakt mit dem Oberwerkzeug ausgehärtet, was zu einer erschwerten bis hin zu unmöglichen Drapierungen führen würde. Vielmehr härtet der Binder erst aus, wenn das Faserhalbzeug auch in Kontakt mit dem Unterwerkzeug kommt, wobei die Drapierung dann nahezu vollständig abgeschlossen ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, das Oberwerkzeug auf einer Temperatur nahe (und knapp unter) der Aushärtetemperatur zu halten.
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Bevorzugt ist das Oberwerkzeug dann im Anschluss an den Drapiervorgang temperierbar ausgestaltet, sodass die Erstarrung des Binders auch mithilfe einer Absenkung der Temperatur des Oberwerkzeugs gefördert werden kann.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Oberwerkzeug nicht temperierbar ausgebildet ist, wobei es bevorzugt die gleiche Temperatur aufweist wie das Unterwerkzeug. Jedenfalls dann, wenn der Drapiervorgang hinreichend rasch abläuft, ist sichergestellt, dass der Binder nicht bereits bei Kontakt mit dem Oberwerkzeug aushärtet.
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Im Übrigen zeigt sich, dass die Begriffe „Oberwerkzeug” und „Unterwerkzeug” nicht zwingend eine tatsächliche räumliche Anordnung der Werkzeugteile ansprechen, sondern vielmehr der Unterscheidung der beiden Werkzeugteile dienen. Es ist möglich, dass die beiden relativ zueinander verlagerbaren Werkzeugteile seitlich zueinander angeordnet sind, oder dass die Positionen von Unterwerkzeug und Oberwerkzeug vertauscht sind, sodass das Unterwerkzeug tatsächlich oben und das Oberwerkzeug tatsächlich unten angeordnet ist. Es ist offensichtlich, dass die zuvor getroffenen Ausführungen auch dann ohne weiteres zutreffen.
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Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, bei welcher das Unterwerkzeug relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem in Ruhe bleibt, während das Oberwerkzeug zum Zwecke der Drapierung verlagert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, dass das Oberwerkzeug in Ruhe bleibt, während das Unterwerkzeug verlagert wird. Schließlich ist es möglich, dass beide Werkzeuge relativ zueinander verlagert werden.
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Schließlich wird eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das Unterwerkzeug durch einen Luftspalt von dem mindestens einen Gegenhalter getrennt ist. Dabei bewirkt der Luftspalt eine thermische Isolierung zwischen dem Gegenhalter, der dem Einlaufbereich zugeordnet ist, und dem Unterwerkzeug, welches dem Aushärtebereich zugeordnet ist. Vorzugsweise ist eine Luftführungseinrichtung vorgesehen, durch welche Luft in den Luftspalt einleitbar ist. Vorzugsweise ist eine Druckluftquelle vorgesehen, durch welche Druckluft in den Luftspalt einleitbar ist. Dabei ist es möglich, dass die Luft oder Druckluft temperiert wird, bevor sie in den Luftspalt eingeleitet wird. Insbesondere ist es möglich, dass die Luft oder Druckluft gekühlt wird, bevor sie in den Luftspalt eingeleitet wird. Hierdurch kann auf konstruktiv einfache Weise sichergestellt werden, dass der Aushärtebereich beziehungsweise das Unterwerkzeug stets auf seiner Temperatur gehalten wird beziehungsweise kühl bleibt, wobei es weder durch den benachbart angeordneten Einlaufbereich noch durch Kontakt mit dem Faserhalbzeug über seine vorherbestimmte Temperatur hinaus erwärmt wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass Luft, insbesondere Druckluft, durch einen Werkezugspalt in die Kavität eingeleitet wird. Hierdurch ist es möglich, die Aushärtung des Binders noch zusätzlich zu beschleunigen. Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Luft oder Druckluft durch den Luftspalt zwischen dem Gegenhalter und dem Unterwerkzeug in die Kavität eingeleitet werden kann. In diesem Fall dient der Luftspalt auf besonders günstige und konstruktiv einfache Weise zugleich sowohl der thermischen Isolierung und Temperierung des Aushärtebereichs als auch einer Beschleunigung der Aushärtung des Binders.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Vorrichtung andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Vorrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Merkmale eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung. Umgekehrt sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Schritte einer Ausführungsform des Verfahrens.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Herstellung eines Vorformlings aus faserverstärktem Kunststoff.
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Die Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Vorformlings aus einem Verstärkungshalbzeug, die als Umformwerkzeug 2 ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 weist einen Einlaufbereich 3 sowie einen hiervon räumlich getrennten Aushärtebereich 5 auf. In dem Einlaufbereich 3 sind Niederhalter 7 angeordnet, die mit einem Gegenhalter 9 zusammenwirken, um den Materialeinzug eines Faserhalbzeugs 11 in den Aushärtebereich 5 zu beeinflussen.
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Der Gegenhalter 9 ist hier als Wärmequelle beziehungsweise als Erwärmungselement zur Temperierung des Faserhalbzeugs 11 durch Kontakt ausgebildet. Hierzu ist er auf einer Heizplatte 13 angeordnet, wobei er durch Wärmeleitung von der Heizplatte 13 geheizt wird.
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Die Niederhalter 7 sind bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel nicht erwärmt. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es aber möglich, die Niederhalter 7 – beispielsweise mithilfe von Heizpatronen – zu erwärmen, um insbesondere zu vermeiden, dass sich der von dem Faserhalbzeug 11 umfasste Binder bereits durch den Kontakt mit den Niederhaltern 7 abkühlt.
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In dem Einlaufbereich 3 ist vorzugsweise zusätzlich ein Infrarotstrahler als Wärmequelle angeordnet, durch den das Faserhalbzeug 11 zusätzlich erwärmt wird. Auf diese Weise findet bevorzugt eine kombinierte Erwärmung des Faserhalbzeugs 11 durch den Infrarotstrahler, vorzugsweise durch eine Mehrzahl von Infrarotstrahlern, und durch den Kontakt mit dem Gegenhalter 9 statt, der seinerseits durch die Heizplatte 13 erwärmt wird. Eine solche kombinierte Erwärmung des Binders ist in hohem Maße geeignet, einer vorzeitigen Erstarrung desselben vor dem Drapieren entgegenzuwirken. Insbesondere können mithilfe mindestens eines Infrarotstrahlers, vorzugsweise einer Mehrzahl von Infrarotstrahlern, auch Bereiche des Faserhalbzeugs erwärmt beziehungsweise erwärmt gehalten werden, die nicht oder nicht mehr unmittelbar mit dem Gegenhalter 9 in Kontakt sind.
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In dem Aushärtebereich 5 ist ein Unterwerkzeug 15 vorgesehen, welches hier relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem ruht. Das Unterwerkzeug 15 ist gegenüber der Heizplatte 13 durch eine Isolierschicht 17 thermisch isoliert. Weiterhin ist zwischen dem Gegenhalter 9 und dem Unterwerkzeug 15 ein Luftspalt 19 angeordnet, durch den das Unterwerkzeug 15 auch gegenüber dem Gegenhalter 9 thermisch isoliert ist. Dabei ist es möglich, durch den Luftspalt 19 kalte Luft, insbesondere Druckluft, oder auch ein anderes kaltes Fluid zu leiten, das hier schematisch durch einen Pfeil P angedeutet ist. Dies kann zusätzlich zur thermischen Isolierung und/oder zur Temperierung des Unterwerkzeugs 15 eingesetzt werden. Dieser Bereich sollte aktiv temperiert werden.
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Der Aushärtebereich 5 umfasst außerdem ein Oberwerkzeug 21, das bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel verlagerbar angeordnet und – in vertikaler Richtung – auf das Unterwerkzeug 15 von einer in der Figur dargestellten offenen Position in eine geschlossene Position verlagert werden kann, wobei das Faserhalbzeug 11 in eine zwischen dem Unterwerkzeug 15 und dem Oberwerkzeug 21 gebildete Kavität 23 eingezogen und dort drapiert wird.
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Im Ausführungsbeispiel der Figur ist das Oberwerkzeug 21 konvex ausgebildet, während das Unterwerkzeug 17 konkav ausgebildet ist. In diesem Fall kommt beim Drapieren zunächst das Oberwerkzeug 21 mit dem Faserhalbzeug 11 in Kontakt und drängt dieses in die Kavität 23 hinein.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl das Oberwerkzeug 21 als auch das Unterwerkzeug 15 kalt im Vergleich zu dem Gegenhalter 9. Insbesondere weisen sie beide eine Temperatur auf, die kleiner ist als eine Aushärtetemperatur des von dem Faserhalbzeug umfassten Binders. Allerdings können auch in der Werkzeugkavität erwärmte Bereiche vorgesehen sein, da hier eventuell eine längere schmelzflüssige Phase des Binders notwendig ist. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, zumindest das Oberwerkzeug 21 zu temperieren und bevorzugt auf eine vorherbestimmte Temperatur zu regeln, insbesondere um zu vermeiden, dass der Binder bereits bei dem Erstkontakt mit dem Oberwerkzeug 21 aushärtet. Das Verfahren wird in diesem Fall bevorzugt so geführt, dass der Binder erst bei einem Kontakt mit dem Unterwerkzeug 15 aushärtet, wobei nach dem vollständigen Drapieren des Faserhalbzeugs 11 in der Kavität 23 das Oberwerkzeug 21 aktiv gekühlt wird, um die Aushärtung des Binders zu vollenden.
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Das Unterwerkzeug 15 wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weder aktiv erwärmt noch aktiv gekühlt, sondern lediglich passiv auf seiner Temperatur gehalten. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es allerdings möglich, das Unterwerkezug 15 aktiv zu temperieren und damit insbesondere auf einer Temperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Binders – bevorzugt geregelt – zu halten.
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Das Verfahren wird vorzugsweise folgendermaßen durchgeführt: Das Faserhalbzeug 11 wird auf den Gegenhalter 9 aufgelegt und überspannt dabei die Kavität 23. Mit den Niederhaltern 7, die mit dem Gegenhalter 9 zusammenwirken, wird das Faserhalbzeug 11 fixiert, indem die Niederhalter 7 in der Figur nach unten verlagert und gegen den Gegenhalter 9 gedrängt werden. Durch eine Variation der Anpresskräfte der Niederhalter 7 gegen den Gegenhalter 9 ist es möglich, die Einzugskräfte und damit die Verformungs- und Schereigenschaften des Faserhalbzeugs 11 bedarfsgerecht und lokal während des Drapierens zu steuern. Das Material des Faserhalbzeugs 11 wird nun durch das Oberwerkzeug 21 in die Kavität 23 gedrückt und dabei auf dem Unterwerkzeug 15 drapiert. Durch den Kontakt mit dem kalten Unterwerkzeug 15 erstarrt der Binder, sodass ein im Wesentlichen formstabiler Vorformling ausgebildet wird. Dieser kann anschließend durch Öffnen der Werkzeugkavität 23 entformt und der Vorrichtung 1 entnommen werden.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe der Vorrichtung 1 und des Verfahrens möglich ist, qualitativ hochwertige Vorformlinge mit äußerst geringer Taktzeit, beispielsweise mit einer Taktzeit von weniger als drei Minuten, herzustellen. Allein durch diese Taktzeitreduzierung haben die Vorrichtung 1 und das Verfahren ein erhebliches Potenzial für Kostensenkungen. Dabei ist die Aktivierung des Binders mit einer aktiven Materialführung mittels der Niederhalter 7 kombinierbar, sodass eine qualitätsgerechte Scherbildverteilung erreichbar ist. Eine kombinierte Erwärmung über Infrarotstrahler und eine Werkzeugerwärmung ist möglich. Es entfallen Transportzeiten, die zusätzlich mit einer unerwünschten Abkühlung des Faserhalbzeugs 11 verbunden sind. Gegenüber einer Erwärmung und Kühlung des gesamten Werkzeugs ergibt sich ein deutliches Energiesparpotenzial. Die einzelnen, gegeneinander abgegrenzten Bereiche sind einfach bezüglich ihrer Temperatur steuer- oder regelbar, insbesondere weil sie im Wesentlichen auf einer konstanten Temperatur gehalten werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011076151 A1 [0003]
