DE102013021574B4

DE102013021574B4 - Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundstrukturen

Info

Publication number: DE102013021574B4
Application number: DE102013021574.9A
Authority: DE
Inventors: Mario Boehme; Anja Jäschke
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2018-02-15
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: DE102013021574A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung flächiger Faserverbundstrukturen, bei der ein flexibler Verstärkungseinleger (6) zwischen einer Matrize (2) und einer Patrize (4) eines Werkzeugs (1) eingelegt und im Zuge eines Schließvorgangs des Werkzeugs (1) durch ein formgebendes Gleiten des Verstärkungseinlegers (6) unter weitgehendster Vermeidung von Beschädigungen der Fasern in eine vorbestimmte dreidimensionale Form gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass Klemmvorrichtungen (3) in Form von Haltestiften (4) zum Fixieren des jeweiligen flexiblen Verstärkungseinlegers (6) vorgesehen sind, wobei die Haltestifte (4) an ihren freien Enden (7) mindestens eine gegenüber dem flexiblen Verstärkungseinleger (6) bewegliche Kontaktschicht in Form einer Kugel (10) aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Faserverbundstrukturen, wie sie vorzugsweise in Form flächiger und dreidimensional geformter Faserverbundstrukturen im Kraftfahrzeugbau Verwendung finden.
Aus Gründen der Gewichtsersparnis werden insbesondere im Kraftfahrzeugbau fortschreitend mehr Kunststoff-Teile als Ersatz für entsprechende Metallbauteile eingesetzt. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Kunststoff-Teile in Hinblick auf deren Steifigkeit und Festigkeit ist auch bei Verwendung von flächigen Strukturen bekannt, textile Einleger zur Bildung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils einzubinden. Derartige Verstärkungseinleger werden dazu zwischen Matrize und Patrize eines Werkzeugs eingelegt und im Zuge eines Schließvorgangs des Werkzeugs in eine vorbestimmte dreidimensionale Form gebracht. Als Verstärkungseinleger kommen auf Gewebe oder Gelege textiler Halbzeuge mit thermoplastischen Bindern, z. B. für RTM Bauteile, oder thermoplastischer Matrix, z. B. Organobleche, zur Verwendung.
Beim Schließen des Werkzeugs werden diese auch als Preform bezeichneten Verstärkungseinleger dreidimensional verformt. Hierzu müssen die Verstärkungseinleger entweder selber ausreichend flexibel sein, oder sie werden vor dem Einlegen in das Werkzeug soweit erhitzt, dass sie in einem erforderlichen Maß verformbar sind. Das ist i. d. R. insbesondere bei vorimprägnierten Halbzeugen der Fall, wie z. B. einem PA- oder PP-getränkten Gewebe. Ein derartiger Verstärkungseinleger bzw. Preform wird also bis kurz vor seinem jeweiligen Schmelzpunkt mit ca. 280°C bis etwa 300°C stark erhitzt und damit sehr flexibel. So wird der Verstärkungseinleger dann als ebene flächige Struktur in eine Form des jeweiligen Werkzeugs eingelegt.
Spätestens in dem Fall, dass derartige flexible Verstärkungseinleger in vertikaler Richtung zwischen horizontal verfahrbaren Matrizen und zugehörigen Patrizen von Werkzeugen eingelegt werden müssen, wird offensichtlich, dass innerhalb eines derartigen Werkzeuges Mittel vorgesehen sein müssen, um flexible Verstärkungseinleger nach dem Einlegen in seiner Position im Werkzeug schon vor dem Schließen des Werkzeugs, während des Verformungsschritts sowie im Zuge eines Einspritzens oder Verpressen eines jeweiligen Kunststoffs in einer bestimmten Lage zu halten. Andernfalls können die flexiblen Verstärkungseinleger im Werkzeug verrutschen oder sogar aus dem noch geöffneten Werkzeug teilweise oder gar ganz herausfallen. Als Mittel hiergegen sind aus dem Stand der Technik Klemmvorrichtungen in Form von Spannrahmen und/oder sog. Haltestiften bekannt, die aus der Matrize und/oder der Patrize des Werkzeugs als Fixierungsmittel hervorspringen. Zu den Haltestiften ist zudem aus dem Stand der Technik bekannt, dass sie auch entlang ihrer Längsachse beweglich sein können, wie z. B. in der DE 10 2010 027 466 A1 offenbart.
Das Patentdokument DE 10 2007 046 734 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils umfassend die Verfahrensschritte: (1) Einlegen einer oder mehrerer Fasermatten in die Kavität eines mehrteiligen Formwerkzeugs, (2) Umformen der Fasermatten mittels des Formwerkzeugs; (3) Evakuieren des Formwerkzeugs, (4) Einbringen eines fließfähigen Kunststoffwerkstoffs in einen Füllraum der Kavität des Formwerkzeugs. Die Fasermatten werden randseitig mittels einer Spannvorrichtung für ein definiertes Nachrutschen fixiert.
Das Patentdokument DE 10 2012 108 168 A1 offenbart ein Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen, insbesondere zum Herstellen einer Preform, wobei das Umformwerkzeug ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweist, wobei bei geschlossenem Oberwerkzeug und Unterwerkzeug ein Formhohlraum zum Anordnen eines Fasermaterials verbleibt, dadurch gekennzeichnet, den auf einer Formoberfläche des Oberwerkzeuges und/oder des Unterwerkzeuges eine Vielzahl von nadelartigen Fortsätzen ausgebildet ist.
Das Patentdokument DE 10 2010 041 179 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Fasermaterial enthaltenden Vorformlings, mit folgenden Schritten:
(1) Bereitstellen einer Fasermatte, die aus mehreren Fasermaterial enthaltenden Lagen besteht, (2) Einspannen der Fasermatte zwischen einem ersten Spannrahmenteil und einem zweiten Spannrahmenteil eines Spannrahmens in einem Bereich zwischen einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug eines geöffneten Presswerkzeugs, (3) Schließen des Presswerkzeugs. Die Fasermatte wird zwischen unebene Berührflächen der Spannrahmenteile eingespannt, wobei die Spannkraft, mit der die Spannrahmenteile die Fasermatte einspannen, so eingestellt wird, dass die Fasermatte beim Schließen des Presswerkzeugs in Richtung einer Kavität des Presswerkzeugs nachrutschen kann.
Das Patentdokument DE 10 2011 012 499 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundwerkstückes, insbesondere aus mindestens einer Faserwerkstoffbahn, wobei die Vorrichtung ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug eine Basisplatte aufweisen, wobei ein Zusatzsegment in der Basisplatte versenkbar gelagert ist.
Es hat sich nun aber als Problem herausgestellt, dass der Verstärkungseinleger während des Verformungsschritts aller Flexibilität zum Trotz im Bereich der Haltestifte so stark belastet werden kann, dass es zu deutlichen Verschiebungen innerhalb der Struktur des Verstärkungseinlegers bis hin zu Beschädigungen der Fasern kommen kann. Dies ist besonders bei der Verwendung von Glasfaser-Matten und ähnlichen Materialen zu beobachten.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung mit geringerem potentiell schädigendem Einfluss auf Verstärkungseinleger zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Hierbei weisen die Klemmvorrichtungen in Form von Spannrahmen und/oder Haltestiften mindestens eine bewegliche Kontaktschicht gegenüber dem flexiblen Verstärkungseinleger auf, insbesondere nach dem Prinzip einer Mine eines Kugelschreibers.
Eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 2 stellt ebenfalls eine Lösung für die vorstehende Aufgabe dar.
Demnach sind an den Spannrahmen und/oder Haltestiften im Kontaktbereich mit einem Verstärkungseinleger eine Antihaftbeschichtung und insbesondere eine PTFE – Beschichtung vorgesehen.
Vorteilhafterweise ist eine Anhaltung von Fasern auch dadurch wesentlich vermindert, dass die Klemmvorrichtungen in Form von Spannrahmen und/oder Haltestiften mindestens eine vibrierende und insbesondere im Ultraschallbereich vibrierende Oberfläche aufweisen, die in Kontakt mit dem flexiblen Verstärkungseinleger steht.
Die Klemmvorrichtungen weisen in Form von Spannrahmen und/oder Haltestiften mindestensan im Kontakt mit dem flexiblen Verstärkungseinleger stehenden Bereichen abgerundete Oberflächen auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bestehen Spannrahmen und/oder Haltestifte aus nichthaftenden wärmebeständigen Kunststoffen.
In einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die Klemmvorrichtungen in Form von Spannrahmen und/oder Haltestifte mindestens im Kontakt mit dem flexiblen Verstärkungseinleger aus einem Material mit geringem Wärmeübergangskoeffizienten.
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
1: einen Schnitt durch ein geöffnetes Werkzeug nach einem Ausführungsbeispiel mit darin eingelegtem Verstärkungseinleger und einer Ausschnittsvergrößerung;
2: einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Haltestifts und
3: ein vergrößerter Ausschnitt einer Photographie eines nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellten Faser-Verbund-Bauteils.
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
3 zeigt beispielhaft eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts einer Photographie von einem Bauteil, das nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurde. Hier ist eine von einem Haltestift mit runder Querschnittfläche hervorgerufene oberflächliche Eindrückung in Form eines Vollkreises zu erkennen. Von diesem Vollkreis um einen Verschiebeweg s entfernt ist eine Art von Halbkreis in gestrichelter Linie erkennbar. Dieser gestrichelte Halbkreis stammt von dem gleichen Haltestift, ist allerdings direkt nach dem Einlegen des Preforms entstanden. Diese Verlagerung des Preforms bzw. die durch dreidimensionale Formgebung erzwungene Wanderung der Fasern des Preforms zeigt also den Verschiebeweg s, den das Gewebe des Preforms von dem Moment des reinen Haltens bis zum nachfolgenden, im Zuge des Schließens des Werkzeugs erfolgten Fließen durchlaufen hat. In dem Bereich beider Kreise sind deutlich auch Schäden des Gewebes in Form gerissener Fasern erkennbar.
1 zeigt einen Schnitt durch ein geöffnetes Werkzeug 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel, das ein formgebendes Fließen ermöglicht und zugleich die exemplarisch dargestellten Beschädigungen weitgehend vermeidet. Hier ragen aus einer Matrize 2 mit einer nicht weiter dargestellten dreidimensionalen Form Klemmvorrichtungen 3 in Form von Haltestiften 4 heraus. Die Haltestifte sind durch Doppelpfeile als im Zuge des Schließens des Werkzeugs 1 längenveränderlich gelagert dargestellt. Damit durchstoßen die Haltestifte 4 eine lediglich in vertikaler Richtung zu fixierenden und zwischen der Matrize 2 und einer zugehörigen Patrize 5 eingelegten Verstärkungseinleger 6 nicht. Die Fixierung wird durch Klemmung bewirkt. In einer Ausschnittsvergrößerung wird hier ferner ein freies Ende 7 eines Haltestiftes 4 dargestellt und mithin ein Bereich, der mit dem Verstärkungseinleger 6 zur Bewirkung der Klemmung in Kontakt gebracht wird. Hierzu weist das freie Ende 7 eine abgerundete Oberfläche 8 auf, über der zudem eine PTFE-Beschichtung 9 vorgesehen ist. Damit wird eine Haft- und Gleitreibung zwischen dem stark erwärmten Verstärkungseinleger 6 und dem freien Ende 7 des Haltestiftes 4 so weit als möglich reduziert, wobei eine Wahrscheinlichkeit für ein Verhaken ebenfalls gemindert ist.
Die Abbildung von 2 zeigt in einem Schnitt eine zweite Ausführungsform eines Haltestifts 4. Dieser Haltestift 4 trägt nun an seinem einen freien Ende 7 eine gegenüber dem flexiblen Verstärkungseinleger 6 bewegliche Kontaktschicht in Form einer Kugel 10 aus einem Material mit geringem Wärmeübergangskoeffizienten. Aufgrund der Beweglichkeit der Kugel 10 bildet der Haltestift 4 einen Kontakt mit der Oberfläche des Verstärkungseinlegers 6 nach Art einer Kugelschreibermine aus, die auf eine Papieroberfläche bewegt wird. Dementsprechend reduziert sind auch mögliche Verletzungen textiler Fasern des Verstärkungseinlegers 6 im Zuge der mit dem Schließen des Werkzeugs 1 einhergehenden dreidimensionalen Verformung des Verstärkungseinlegers 6.
Bezugszeichenliste

1: Werkzeug
2: Matrize
3: Klemmvorrichtung
4: Haltestift
5: Patrize
6: Verstärkungseinleger
7: freies Ende eines Haltestiftes 4
8: abgerundete Oberfläche
9: PTFE-Beschichtung
10: Kugel
s: Verschiebeweg

Claims

Vorrichtung zur Herstellung flächiger Faserverbundstrukturen, bei der ein flexibler Verstärkungseinleger (6) zwischen einer Matrize (2) und einer Patrize (4) eines Werkzeugs (1) eingelegt und im Zuge eines Schließvorgangs des Werkzeugs (1) durch ein formgebendes Gleiten des Verstärkungseinlegers (6) unter weitgehendster Vermeidung von Beschädigungen der Fasern in eine vorbestimmte dreidimensionale Form gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass Klemmvorrichtungen (3) in Form von Haltestiften (4) zum Fixieren des jeweiligen flexiblen Verstärkungseinlegers (6) vorgesehen sind, wobei die Haltestifte (4) an ihren freien Enden (7) mindestens eine gegenüber dem flexiblen Verstärkungseinleger (6) bewegliche Kontaktschicht in Form einer Kugel (10) aufweisen.
Vorrichtung zur Herstellung flächiger Faserverbundstrukturen, bei der ein flexibler Verstärkungseinleger (6) zwischen einer Matrize (2) und einer Patrize (4) eines Werkzeugs (1) eingelegt und im Zuge eines Schließvorgangs des Werkzeugs (1) durch ein formgebendes Gleiten des Verstärkungseinlegers (6) unter weitgehendster Vermeidung von Beschädigungen der Fasern in eine vorbestimmte dreidimensionale Form gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass Klemmvorrichtungen (3) in Form von Haltestiften (4) zum Fixieren des jeweiligen flexiblen Verstärkungseinlegers (6) vorgesehen sind, wobei die Haltestifte (4) an ihren freien Enden (7) im Kontaktbereich mit dem Verstärkungseinleger (6) eine abgerundete und im Ultraschallbereich vibrierende Oberfläche aufweisen, die mit einer Antihaftbeschichtung, insbesondere einer PTFE-Beschichtung (9) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte (4) aus nichthaftenden wärmebeständigen Kunststoffen bestehen.
Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestifte (4) mindestens im Kontakt mit dem flexiblen Verstärkungseinleger (6) aus Material mit geringem Wärmeübergangskoeffizienten bestehen.