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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem Faserverbundwerkstoff und ein hieraus hergestelltes Formteil.
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Faser-Kunststoff-Verbunde werden zunehmend als Werkstoff in der fertigenden Industrie verwendet, um Bauteile aus Metall oder Kunststoffe zu ersetzen. Als Faserverbundwerkstoff werden insbesondere Verbundwerkstoffe bezeichnet, die aus einem Matrix-Werkstoff mit eingebetteten Fasern bestehen. Sinn dieses Verbundes ist die Ausnutzung der Steifigkeit der Fasern in Faserrichtung in Verbindung mit der Möglichkeit der Formgebung durch die Matrix. So geben die Fasern dem Faserverbundwerkstoff die Festigkeit und Steifigkeit, wobei die Fasern extrem dünn ausgebildet sind.
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Durch die Faserrichtung der Fasern wird im Endeffekt auch die Belastung eines Bauteils vorgegeben, da ein Faserverbundwerkstoff möglichst immer in Faserrichtung belastet werden soll, damit die wesentlichen Vorteile des Werkstoffs ausgenutzt werden können. Die Fasern in einem Faserverbundwerkstoff sind in der Regel Glasfasern, Kohlenstofffasern, Polymerfasern, Keramikfasern, Basaltfasern, Borfasern, Stahlfasern oder Naturfasern. Da die Faser selbst nicht formstabil ist, bedarf es des Matrix-Werkstoffes, der die Faser in Form hält. Die Faser ist hierbei möglichst gleichmäßig in die Matrix eingebettet. Es kommen folgende Matrix-Werkstoffe zum Einsatz: Kunststoff (Duromere, Elastomere, Thermoplaste), Zement und Beton, Metalle, Keramik oder Kohlenstoff (kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff, CFC).
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Hochbelastbare, dickwandige Hohlstrukturen werden aufwändig und üblicherweise mit duroplastischer Matrix hergestellt. Der Aspekt des Recyclings und günstige Werkstoffpreise machen jedoch eine Bauweise mit thermoplastischer Matrix attraktiv. Die Problematik der Thermoplaste liegt aber in der hohen Viskosität und der damit schwierigen Tränkung der Fasern begründet.
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Zur Herstellung faserverstärkter, thermoplastischer Hohlkörper ist eine Reihe von Verfahren bekannt. Das sogenannte Long-Fibre-Injection (LFI) ist ein Herstellungsverfahren für faserverstärkte Kunststoff-Bauteile. In der Regel werden als Verstärkungsfasern Glasfasern und als Matrix-Werkstoff Polyurethan verwendet. Bei dem LFI-Prozess werden die Glasfasern von einem Roving (Rolle) gezogen und in einem Glasfaser-Schneidwerk in Einzelfasern zerschnitten. Die einzelnen Fasern werden dann in einem speziellen LFI-Mischkopf mit vorvermischten, insbesondere flüssigen Polyurethan benetzt und in die offene Kavität eines Werkezuges eingetragen. Die Verteilung des Polyurethan-Glasfasergemisches erfolgt in der Regel durch einen Industrie-Roboter, an dem der Mischkopf befestigt ist. Im nachfolgenden Prozessschritt wird das Polyurethan-Glasfasergemisch im Werkzeug unter Druck verpresst.
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Ein hierzu verwandtes Verfahren ist das NFI-Verfahren (Natur-Faser-Injektion), bei dem Naturfasern anstelle von Glasfasern verwendet werden.
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Bei dem RTM-Verfahren (RESIN Transfer Moulding), werden Verstärkungstextilien in ein Werkzeug eingelegt und danach mit einem flüssigen Harz-Härter-Gemisch unter Druck getränkt. Das Harz reagiert unter Wärme aus, wodurch ein fester Körper entsteht.
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Bekannt sind auch Spritzgieß-Sonderverfahren, bei denen das Montagespritzgießen mit der Fluid-Injektionstechnik im Spritzgießverfahren kombiniert wird. Hierbei werden vorgewärmte Gewebehalbzeuge durch den Schmelzdruck vorgeformt und im selben Zyklus mittels Fluid-Injektionstechnik weiter verformt und schließlich durch die Wärmeabfuhr konsolidiert. Nachteilig sind hier die hohen Kosten der Ausgangswerkstoffe sowie die mit dem Verfahren einhergehenden Beschränkungen hinsichtlich der realisierbaren Profilgeometrien.
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Bei dem zu dem Spritzgießverfahren ähnlichen GIT-BLOW-Verfahren wird ein mittels eines gewöhnlichen Spritzgießprozesses durch Gasinjektion erzeugter Hohlraum in einem zweiten Schritt aufgeblasen. Die Herstellung von komplex geformten Kunststoff-Hohlkörpern ist mit dieser Technologie allerdings vergleichsweise aufwändig, da hierbei verschiedene Komponenten zu einer Baugruppe zusammengefügt werden müssen.
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Weiterhin ist als Fertigungsverfahren die Pultrusion bekannt. Hierbei werden nebeneinanderliegende Verstärkungsfasern durch eine Pultrusionsdüse gezogen und dabei mit Kunstharz getränkt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass nur eine Faserorientierung in Profillängsrichtung realisiert werden kann und die hergestellten Bauteile für höhere Torsionsbeanspruchungen ungeeignet sind.
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Ein Fertigungsverfahren für rohrförmige Bauteile ist beispielsweise das sogenannte Wickelverfahren, wobei Fasern in einer sogenannten Tränkvorrichtung mit einem Harz getränkt und auf einen rotierenden Kern aufgewickelt werden. Bei der Ablage der Fasern auf den Kern stehen diese unter Spannung. Durch diese Faserspannung wird der zur Glättung erforderliche Konsolidierungsdruck aufgebracht. Das Verfahren wird im Wesentlichen zur Herstellung von Bauteilen aus duroplastischen Kunststoffen verwendet. Es ist jedoch auch möglich, rohrförmige Bauteile aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Wickelverfahren herzustellen. Hierbei werden Hybridfasern, die ein Gemisch aus Verstärkungsfasern und Fasern oder Fäden aus thermoplastischen Kunststoffen darstellen, auf einen Metallkern oder auf ein thermoplastisches Kernrohr aufgewickelt. Bei der Ablage des Fasergemisches werden die Thermoplastfasern aufgeschmolzen und eine Verschweißung der zugeführten thermoplastischen Fasern oder Fäden mit dem bereits auf dem Kern liegenden thermoplastischen Kunststoff erreicht. Hierzu ist es jedoch erforderlich, die benötigte Schmelzenergie während des Wickelvorgangs zuzuführen. Die thermoplastische Schmelze sollte dabei unter Druck erstarren. Die Konsolidierung erfolgt entweder durch die Fadenspannung oder mit Hilfe von geeigneten Andruckvorrichtungen.
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Nachteilig bei den bekannten Herstellungsverfahren ist, dass keine Bauteile mit einer exakt gleichmäßigen Wanddicke hergestellt werden können, die zudem noch über eine definierte Außenoberfläche verfügen. Außerdem werden die Endlosfasern beispielsweise bei einem Aufbringen eines Pressdrucks von außen gestaucht, so dass eine Welligkeit entsteht, die zur starken Minderung der Festigkeitswerte führt. Zudem sind nicht über die gesamte Wanddicke Endlosfasern einbringbar, so dass das Leichtbaupotenzial nicht vollständig ausgeschöpft werden kann. Weiterhin nachteilig ist, dass die bekannten Verfahren in der Regel zu Bauteilen führen, die eine Nachbearbeitung erfordern.
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Aufgabe der Erfindung war es demgemäß, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem faserverstärkte Hohlkörper hergestellt werden können, die nicht die Nachteile und Mängel des Standes der Technik aufweisen.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei in einem Vorbereitungsverfahrensabschnitt zunächst eine Gleitschicht auf einen sich in Richtung seiner Längsachse mindestens abschnittsweise verjüngenden Dorn aufgebracht wird, wobei Fasern der Gleitschicht in Richtung der Längsachse ausgerichtet sind und wobei anschließend eine Funktionsschicht aus einem Faserverbundwerkstoff auf den Dorn aufgebracht wird, wobei in einem nachfolgenden Einschiebeschritt der Dorn in ein Anpresswerkzeug eingeschoben wird, wobei in einem Fixierungsschritt ein Randabschnitt der Gleitschicht relativ zu dem Anpresswerkzeug festgelegt wird und wobei in einem Ausformungsschritt der Dorn weiter in das Anpresswerkzeug eingeschoben wird, wodurch die Funktionsschicht an eine Innenfläche des Anpresswerkzeugs angedrückt wird.
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Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren dickwandige Hohlprofile mit einer Wanddicke von bevorzugt mehr als 5 mm herstellbar sind. Außerdem ist die Wanddicke gleichmäßig ausgestaltet und die Innen- und Außenflächen des Formteils sind durch den Werkzeugkontakt glatt, so dass eine Nachbearbeitung der Oberfläche nicht notwendig ist. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist, dass die Prozess-, das heißt Herstellungszeiten sehr kurz sind, was sich wiederum in einer hohen Wirtschaftlichkeit niederschlägt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von unterschiedlich gestalteten Formteilen, die auch mit verschiedenartigen Wanddicken ausgestattet sein können. Unter anderem können Formteile für den Fahrzeugbau, Biegeträger, Torsions- und Antriebswellen oder Fahrradrahmen bereitgestellt werden. Bereits diese kleine Auswahl an herstellbaren Formteilen zeigt, dass der Formgebung keine Grenzen gesetzt sind und das Verfahren, insbesondere das Anpresswerkzeug und der Dorn einfach an die herzustellende Form des Formteils anpassbar sind. Zudem können unterschiedliche Wanddicken einfach durch eine bevorzugte schichtweise Auftragung der Funktionsschicht erreicht werden.
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Die Funktionsschicht besteht aus einem Faserverbundwerkstoff, wobei es bevorzugt ist, dass die Gleitschicht und die Funktionsschicht Segmente eines Faserverbund-Halbzeugs sind, wobei das Halbzeug insbesondere Segmente unterschiedlicher Faserausrichtung umfasst. Dem Fachmann ist ein solches Halbzeug auch als „Prepreg” bekannt, was die Abkürzung für die englische Bezeichnung „preimpregnated fibers” ist. Prepreg bezeichnet insbesondere ein Halbzeug, bestehend aus Fasern und einer Kunststoffmatrix. Das Halbzeug kann insbesondere als reine unidirektionale Schicht, als Schicht mit unterschiedlichen Faserausrichtungen, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Prepreg kann vorteilhafterweise bahnförmig und auf Rollen gewickelt geliefert werden. Die Fasern können sowohl mit einer Duroplast- als auch mit einer Thermoplastmatrix imprägniert sein. Es ist bevorzugt, dass das Halbzeug mindestens eine in Richtung der Längsachse des Dorns ausgerichtete Faserschicht aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass die Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend Glasfasern, Kohlenstofffasern, Polymerfasern, Keramikfasern, Basaltfasern, Borfasern, Stahlfasern oder Naturfasern. Die Matrix ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Kunststoff (insbesondere Duromere, Elastomere, Thermoplaste), Zement und Beton, Metalle, Keramik oder Kohlenstoff. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mit einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ein faserverstärkter Hohlkörper mit thermoplastischer Matrix hergestellt werden kann, wobei die Fasern gestrafft und optimal orientiert vorliegen.
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Die Orientierung der Fasern wird im Wesentlichen durch die Auswahl der vorimprägnierten Fasern (des Prepreg) bestimmt, wobei durch das Verfahren verschiedenartige Faserorientierungen verarbeitbar sind. In bekannten Verfahren kommt es bei der Verwendung einer thermoplastischen Matrix oftmals zu einer Verschiebung der Faserorientierung, so dass beispielsweise keine dickwandigen Hohlprofile realisierbar sind. Der Grund hierfür liegt in der hohen Viskosität und der damit schwierigen Tränkung der Fasern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird jedoch auch die Verwendung thermoplastischer Kunststoffe möglich, da die Gleitschicht zwischen Dorn und Funktionsschicht vorliegt. Die Gleitschicht kann im Sinne der Erfindung auch als Grenzschicht bezeichnet werden.
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Der Dorn führt bei dem Ausformungsschritt eine Bewegung in das Anpresswerkzeug durch, wobei die Funktionsschicht an die Innenfläche des Anpresswerkzeugs angedrückt wird. Dies wird insbesondere durch eine in axialer Richtung auf den Dorn einwirkende Kraft erreicht. Dadurch, dass jedoch zwischen Funktionsschicht und Dorn die Gleitschicht vorliegt, kommt es zu keiner Verschiebung der Funktionsschicht bei dem Einführen des Dorns in das Anpresswerkzeug. Es wird ein gleichmäßiger insbesondere radial wirkender Anspressdruck auf die Funktionsschicht ausgeübt, so dass es zu der Ausbildung einer gleichmäßigen Wanddicke kommt und einer Verschiebung der Faserorientierung unterbleibt.
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Um in einem Fixierungsschritt ein Randabschnitt der Gleitschicht relativ zu dem Anpresswerkzeug festzulegen, können insbesondere Klemmmittel verwendet werden. Die Klemmmittel können bevorzugt einen Klemmring, eine -hülse oder Festspannmittel umfassen und an einem Randbereich der Gleitschicht angebracht sein. Die Gleitschicht wird durch die Klemmung im Wesentlichen daran gehindert, sich beim Einbringen des Dorns in das Anpresswerkzeug zu verschieben. Die Gleitschicht wird auf einen sich in Richtung seiner Längsachse mindestens abschnittsweise verjüngenden Dorn aufgebracht, wobei Fasern der Gleitschicht in Richtung der Längsachse ausgerichtet sind. Die Fasern der Gleitschicht weisen bevorzugt eine zu den Fasern der Funktionsschicht andere Orientierung auf. Das heißt, die Faserorientierung der Gleitschicht und Funktionsschicht ist vorteilhafterweise nicht identisch. Es kann jedoch für bestimmte Formteile bevorzugt sein, dass die Faserorientierung identisch ist. Dadurch, dass die Fasern der Gleitschicht in Richtung der Längsachse ausgerichtet sind, kommt es bevorzugt bei dem Einschiebeschritt oder bei dem Ausformungsschritt zu keiner Verschiebung der Fasern der Gleitschicht. Vorteilhafterweise wird der Randabschnitt der Gleitschicht relativ zu dem Anpresswerkzeug festgelegt, der sich bei dem Einschieben des Dorns in das Anpresswerkzeug in einer zum Anpresswerkzeug entgegengesetzter Richtung befindet. Der Randbereich der Gleitschicht kann beispielsweise auch nach dem Einschiebeschritt aus dem Anpresswerkzeug herausragen und insbesondere an dem Anpresswerkzeug oder einem separaten Werkzeugteil, welches mit dem Anpresswerkzeug verbindbar ist, fixiert sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Dorn abschnittsweise eine, insbesondere betragsmäßige und formmäßige gleichbleibende Querschnittsfläche auf, wobei Seitenwände des Dorns mindestens abschnittsweise parallel verlaufen. Diese Abschnitte können beispielsweise als Normanschlüsse zum Anschluss des Formteils an weitere Bauteile verwendet werden.
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Vorteilhafterweise wird der Dorn mit Zentrierringen in dem Anpresswerkzeug zentriert, so dass eine zentrierte Anordnung des Dorns und folglich auch der auf dem Dorn befindlichen Faserverbundschicht, in dem Anpresswerkzeug erreicht wird. Die Zentrierringe, die insbesondere aus Metall oder Kunststoff gefertigt sind, können bevorzugt nach Aufbringen der Gleitschicht und Funktionsschicht auf den Dorn aufgeschoben werden. Die Zentrierringe verhindern vorzugsweise eine Verschiebung der Schichten, insbesondere der Gleitschicht beim Einbringen des Dorns in das Anpresswerkzeug. Vorteilhafterweise weist das Anpresswerkzeug eine umlaufende Nut oder Kante auf, in die die Zentrierringe greifen.
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Ferner ist es bevorzugt, dass dem Einschiebeschritt ein Heizschritt zum Erwärmen des Halbzeugs vorgeschaltet ist. Nachdem die Gleitschicht und Funktionsschicht auf den Dorn aufgebracht sind, kann durch einen Wärmeeintrag eine Erwärmung der Schichten erreicht werden. Hierbei kann die Wärme entweder über den Dorn oder von außen auf die Schichten ausgeübt werden. Ein externes Aufheizen der Prepregschichten ist ebenfalls möglich, da sich so die Zykluszeiten reduzieren lassen.
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Es ist bevorzugt, dass das Anpresswerkzeug während dem Einschiebeschritt mit Heiz- und/oder Kühlelementen temperiert wird. Durch eine bevorzugte Erwärmung des Anpresswerkzeuges wird insbesondere bewirkt, dass die Schichten, insbesondere die Funktionsschicht verformbar bleibt. Außerdem kann durch die Temperierung des Anpresswerkzeuges eine Abkühlung und somit Aushärtung des Formteils erzielt werden, wodurch das fertige Formteil nach Formgebung aus dem Anpresswerkzeug und von dem Dorn entfernbar ist. Hierfür kann das Anpresselement und/oder der Dorn mit Heiz- und/oder Kühlelementen ausgestattet, die beispielsweise als Wärmetauscherrohre innerhalb des Anpresswerkzeuges verlaufen können. Auch ein elektrischer Wärmeeintrag ist möglich. In einer bevorzugten Form wird das Anpresswerkzeug im Längsschnitt geteilt ausgeführt, um durch das Öffnen des Werkzeugs eine leichte Endformbarkeit des Formteils zu erreichen.
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Es ist zudem bevorzugt, dass an den Ausformungsschritt ein Abkühlschritt anschließt, bei dem das Anpresswerkzeug und/oder der Dorn mit Kühlelementen gekühlt werden. Durch die Kühlung des Anpresswerkzeuges und/oder des Dorns kann das Formteil schneller aushärten und einfach von dem Dorn, beziehungsweise aus dem Anpresswerkzeug entfernt werden. Bei den Kühlelementen kann es sich beispielsweise um Wärmetauscher oder Wärmeüberträger handeln.
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Es kann bevorzugt sein, eine Außenform des Anpresswerkzeuges als Energiespeichermedium auszugestalten, welches beispielsweise aus Stahl gefertigt ist, und insbesondere permanent auf einem hohen Temperaturniveau insbesondere (200° bis 400° Celsius) gehalten wird. Die Innenform des Anpresswerkzeuges, die dem Formteil insbesondere eine Geometrie verleiht, ist bevorzugt mit einer Temperiereinheit ausgestattet, beispielsweise einem Wärmetauscher oder einer elektrischen Wärmequelle. Der Werkstoff des Außenwerkzeugs und des Dorns ist vorzugsweise ein Material mit einer hohen Wärmedurchgangszahl, vorzugsweise Stahl, Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen. Es ist jedoch darauf zu achten, dass der Werkstoff so ausgewählt ist, dass es durch den applizierten Druck zu keiner Beschädigung des Dorns und der Innenform des Anpresswerkzeuges, wie Dellen und Faserabzeichnung kommt.
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Das Anpresswerkzeug wird vorzugsweise mit einem im Verhältnis zum Dorn gleichem Verjüngungswinkel ausgestaltet, so dass eine hohe Passgenauigkeit zwischen Dorn und Anpresswerkzeug erzielt wird und ein problemloses Einbringen des Dorns in das Anpresswerkzeug gewährleistet ist sowie eine konstante Wanddicke eingestellt wird. Es hat sich vorteilhafterweise herausgestellt, dass bereits ein annähernd gleicher Verjüngungswinkel ausreichend sein kann, da gewisse Unregelmäßigkeiten durch die eingebrachte Schicht ausgeglichen werden können. Andererseits ist es bevorzugt, das Anpresswerkzeug mit einem im Verhältnis zum Dorn leicht ungleichen Verjüngungswinkel auszugestalten, um so eine gezielten Wanddickenverlauf zu erzeugen.
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Es ist bevorzugt, dass das Anpresswerkzeug mindestens eine umlaufende Nut am Festlegungsende aufweist, in die die Funktionsschicht und/oder die Gleitschicht im Ausformungsschritt eingepresst werden. Diese Nut bewirkt, dass die Funktionsschicht und/oder die Gleitschicht in dem Ausformungsschritt, in dem vorzugsweise ein axial wirkender Druck auf den Dorn ausgeübt wird, keine Verformung erfahren und in die Nut gepresst werden.
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Ferner kann es bevorzugt sein, dass das Anpresswerkzeug Vertiefungen oder Aussparungen aufweist, in die die Funktionsschicht eingepresst wird. Eine solche Verformung der Funktionsschicht kann noch dadurch unterstützt werden, dass die Funktionsschicht schichtweise auf den Dorn aufgebracht vorliegt, vorzugsweise mehrere Schichten umfasst und in dem Bereich der Verformung eine größere Schichtdicke aufweist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Wanddickedes Formteils gleichmäßig bleibt. Zusätzlich kann vorzugsweise das Anpresswerkzeug, insbesondere die Innenform des Anpresswerkzeuges derart ausgestaltet sein, dass während oder nach dem Ausformungsschritt Normanschlüsse, Bohrungen und/oder Aussparungen in das Formteil eingebracht werden. Hierfür können beispielsweise Stifte oder Schiebewerkzeuge verwendet werden.
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Vorteilhafterweise weist das Anpresswerkzeug eine umlaufende Nut am Festlegungsende auf. Das Festlegungsende bezeichnet im Sinne der Erfindung das Ende des Anpresswerkzeuges, wo die Gleitschicht fixiert wird. Hierbei handelt es sich um das Ende des Anpresswerkzeuges, in das der Dorn eingeschoben wird. Ein Vorteil der umlaufenden Nut ist, dass die in die Nut gepresste Gleitschicht als Flansch ausgebildet sein kann, der später Befestigungszwecken dient. Vorzugsweise wird die Gleitschicht in die flanschbildende Nut eingebracht. Durch eine Kühlung der Nut, insbesondere vor dem Ausformungsschritt kann insbesondere eine lokale Aushärtung der flanschbildenden Gleitschicht erreicht werden, was wiederum eine Fixierung der Gleitschicht, insbesondere eine Festlegung der Gleitschicht relativ zu dem Anpresswerkzeug zur Folge hat. Neben der Nutzung des Flansches als vorteilhafte Faserklemmung, können Bohrungen oder Aussparungen direkt in den Flansch eingebracht werden. Zudem ist es bevorzugt, dass bevorzugte Formteilinserts in den Flansch eingepresst oder eingebettet werden, so dass sie während des Ausformungsschritt in das Formteil, insbesondere die Funktionsschicht übertragen werden. Beispielsweise können Stifte in Nut gebracht werden, die nach dem Aushärten entfernt werden und Bohrungen oder Durchgänge in dem Formteil bewirken können.
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Es kann vorteilhaft sein, dass der Dorn mehrere in Richtung seiner Längsachse sich verjüngende Abschnitte besitzt. Der Dorn weist in Richtung seiner Längsachse mindestens abschnittsweise eine Verjüngung auf, wobei es vorteilhaft sein kann, dass der Dorn bevorzugt eine, besonders bevorzugt mindestens zwei Verjüngungen aufweist. Hierdurch kann eine Erhöhung und Vergleichmäßigung eines hydrostatischen Innendruckes erreicht werden, wodurch ein Schmelzefluss der verflüssigten Funktions- und/oder Gleitschicht in Bereiche des Anpresswerkzeuges erzielt werden, die einen geringen hydrostatischen Innendruck aufweisen. Somit kann eine bessere Komprimierung, insbesondere bei mehrschichtigen Formteilen erreicht werden. Zumal wird eine im Wesentlichen perfekte Abformung zylindrischer Endbereiche möglich.
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Es kann bevorzugt sein, dass die Innenform des Anpresswerkzeuges und/oder die Außenform des Dorns mit Gleitschichten, bspw. mit Polytetrafluorethylen beschichtet sind. Hierdurch kann ein Anheften der ausgeschmolzenen Funktionsschicht oder Gleitschicht an dem Anpresswerkzeug oder Dorn verhindert werden.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Formteil aus einem Faserverbundwerkstoff, hergestellt durch ein oben beschriebenes Verfahren, wobei das Formteil einen Hohlkörper mit gegenüberliegenden Öffnungen aufweist und die Außenwand eine thermoplastische Matrix mit darin eingebetteten Fasern vorgegebener Ausrichtung aufweist. Es war besonders überraschend, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Möglichkeit besteht, Formteile aus einem Thermoplast herzustellen, wobei vorzugsweise das Formteil eine mindestens abschnittsweise in Umfangrichtung gleichbleibende Wanddicke aufweist. Die Außenwand des hohlkörperförmigen Formteils umgibt einen Innenraum und liegt in Umfangsrichtung vor. Der Hohlkörper weist zwei sich gegenüberliegende Öffnungen auf. Bisher war es mit den bekannten Verfahren nur schwer oder nicht möglich, solche Formteile herzustellen. Thermoplaste sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassen Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC).
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Faserverstärkte Leichtbaustrukturen wurden bislang überwiegend mit einer Matrix aus Duroplast hergestellt. Flüssige Harze werden dabei mit Härter gemischt und in Formen eingebracht, die mit den Verstärkungsfasern ausgelegt sind. Vakuum und andere Verfahren können dann dafür sorgen, dass im Verbund keine Luftblasen verbleiben. Das abschließende Aushärten des Verbundes, beziehungsweise die Reaktion der Komponenten kann führt zu einer erheblichen Verlängerung der Prozesszeit, was die Wirtschaftlichkeit des Prozesses nachteilig beeinflusst. Thermoplastische Werkstoffe sind dahingegen durch Wärme verflüssigbar und können so in eine beliebige Form gebracht werden. Jedoch war es bisher nicht möglich, ein thermoplastisches Faserverbund-Formteil herzustellen, bei dem eine gleichmäßige, insbesondere dickwandige Wandstärke vorliegt und bei dem die Endlosfasern mit definierter Faserorientierung festgelegt bleiben. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es erstmals möglich, solche Formteile herzustellen. Durch die zuvor erfolgte Festlegung der Faserorientierung und durch die unidirektionale Faserorientierung der Gleitschicht, kann auch bei dem Formteil nach Fertigstellung festgestellt werden, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Formteil eine gekrümmte Kontur in Richtung der Längsachse des verjüngenden Dorns aufweist und die Außenwand eine thermoplastische Matrix mit darin eingebetteten Fasern vorgegebener Ausrichtung aufweist, so dass hierdurch beispielsweise gebogene Hohlprofile herstellbar sind. Es kann zudem bevorzugt sein, dass das Formteil abschnittsweise Aussparungen aufweist und die Außenwand eine thermoplastische Matrix mit darin eingebetteten Fasern vorgegebener Ausrichtung ist. Vorteilhafterweise weist das Formteil Aussparungen auf, wobei die Außenwand aus einer thermoplastischen Matrix besteht, in die Fasern vorgegebener Ausrichtung eingebettet sind. Durch diese Aussparungen sind beispielsweise Formteile mit einem Fachwerkprofil realisierbar.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert werden. Es zeigt:
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1A–E Schematische Darstellung bevorzugter Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung von Formteilen
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2 Querschnitt eines bevorzugten Anpresswerkzeuges mit Dorn
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3 Schematische Ausgestaltungen bevorzugter Formteile
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1A–E zeigen schematische Darstellungen bevorzugter Verfahrensschritte eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung von Formteilen. Ein Halbzeug aus einem vorimprägnierten Faserverbundwerkstoff 2 wird in einem Vorbereitungsschritt auf einen Dorn 4 aufgebracht. Das Halbzeug besteht aus mindestens einer Gleitschicht 3, die zunächst in einem Vorbereitungsverfahrensabschnitt auf den sich in Richtung seiner Längsachse mindestens abschnittsweise verjüngenden Dorn 4 aufgebracht wird. Der Dorn 4 kann auch achsparallele Seitenwände aufweisen, so dass auch gerade oder zylindrische Abschnitte vorliegen. Die Fasern der Gleitschicht 3 sind in Richtung der Längsachse des Dorns 4 ausgerichtet. Nach Aufbringung der Gleitschicht 3, die eine Grenzschicht zwischen Dorn 4 und Funktionsschicht 5 bildet, wird die Funktionsschicht 5 aufgebracht. Die Funktionsschicht 5 kann Segmente oder Bereiche unterschiedlicher Faserorientierung aufweisen, was in der 1A mit der Schraffur angedeutet werden soll. Die auf den Dorn 4 aufgebrachten Schichten (Funktionsschicht 5 und Gleitschicht 3) können in einem dem Vorbereitungsschritt anschließenden Schritt erwärmt werden (1B), wodurch es zu einer Erwärmung der Schichten kommt, was eine erhöhte Verformbarkeit der Schichten nach sich zieht. Im nachfolgenden Einschiebeschritt (1C) wird der Dorn 4 in ein Anpresswerkzeug 6 mit einer Innenschicht 8 eingeschoben. Die Innenschicht 8 kann mit einer Schicht aus Polytetrafluorethylen beschichtet sein, so dass die Anhaftung der Funktionsschicht reduziert wird. Das Anpresswerkzeug 6 kann mit Heiz- und/oder Kühlelementen ausgestattet sein.
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Um eine Zentrierung des Dorns 4 in dem Anpresswerkzeug 6 zu erreichen, können Zentrierringe 9 seitlich auf den Dorn 4 gezogen werden. Die Zentrierringe 9 verhindern zudem, dass der Faserverbundwerkstoff 2 bei dem Anlegen eines Pressdruckes im Ausformungsschritt aus dem Anpresswerkzeug gepresst wird. In einem Fixierungsschritt wird ein Randabschnitt 7 der Gleitschicht 3 relativ zu dem Anpresswerkzeug 6 durch zum Beispiel Klemmringe festgelegt. In dem nachfolgenden Ausformungsschritt (1D) wird der Dorn 4 weiter in das Anpresswerkzeug 6 eingeschoben (angedeutet in 1D durch „F”), wodurch die Funktionsschicht 5 an die Innenfläche 8 des Anpresswerkzeugs 6 angedrückt wird. Dadurch, dass die Gleitschicht 3 fixiert ist, wird sichergestellt, dass der im Ausformungsschritt angelegte Anpressdruck keine Verschiebung der Faserorientierung der Funktionsschicht 5 bewirkt, sondern diese gleichmäßig radial andrückt. Die Gleitschicht 3 ist beweglich zu dem Dorn 4 fixiert und wird beim Einschieben des Dorns 4 nicht bewegt.
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Nach dem Ausformungsschritt kann das Formteil 1 zur Aushärtung gekühlt werden, beispielsweise durch in das Anpresswerkzeug 6 oder den Dorn 4 integrierte Kühlmittel, und aus dem Anpresswerkzeug entfernt werden (1E).
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2 zeigt einen Querschnitt eines bevorzugten Anpresswerkzeuges mit Dorn. Der Dorn 4 ist mittels Zentrierringen 9 mittig in dem Anpresswerkzeug zentriert. Außerdem wird durch die Zentrierringe 9 verhindert, dass durch den hydrostatischen Druck 11 aufgrund des Matrixflusses 12, insbesondere aus den konischen in die zylindrischen Abschnitte, aufgeschmolzener Faserverbundwerkstoff 2 (in Form eines aufgeschmolzenen thermoplastischen Rohlings) aus dem Anpresswerkzeug 6 gepresst wird. Durch eine Fixierung der Gleitschicht (nicht gezeigt) wird erreicht, dass auf den geschmolzenen Faserverbundwerkstoff 2 ein gleichmäßiger Anpressdruck wirkt (dargestellt durch die parallelen Pfeile), was wiederum eine in Umfangrichtung gleichbleibende Wanddicke zur Folge hat. Um eine Erwärmung oder eine Abkühlung des Faserverbundwerkstoffes 2 zu erreichen, weist das Anpresswerkzeug Heiz- und/oder Kühlelemente 10 auf.
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In der 3 sind schematische Ausgestaltungen bevorzugter Formteile dargestellt. Das Formteil kann durch das bevorzugte Verfahren in unterschiedlichen Geometrien realisiert werden, was beispielhaft in 3 dargestellt ist. So ist es beispielsweise möglich, ein Kreisprofil ein Rechteckprofil oder Doppel-T-Träger-Profile herzustellen.
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Das Formteil 1 weist einen Hohlkörper mit gegenüberliegenden Öffnungen und einen Innenraum in Umfangsrichtung umgebende Außenwand auf, wobei die Außenwand eine thermoplastische Matrix mit darin eingebetteten Fasern vorgegebener Ausrichtung aufweist. Die Formteile besitzen eine mindestens abschnittsweise in Umfangrichtung gleichbleibende Wanddicke.
