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Die Erfindung betrifft ein Presswerkzeug zum Pressen eines Faserverbundwerkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen kommen unter anderem Pressverfahren zum Einsatz, wie beispielsweise ein sogenanntes „Nasspressen” oder ein sogenanntes „Prepreg”-Pressen. Im Rahmen dieser Verfahren werden Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, in einem in der Regel zweischaligen Presswerkzeug mit einer Matrix umschlossen bzw. vernetzt und in dem Werkzeug unter Druckbeaufschlagung ausgehärtet. Die Matrix wird beispielsweise durch ein Zweikomponentengemisch bestehend aus einem Harz und einem Härter gebildet.
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Hierbei besteht eine große Herausforderung, die faserverstärkten Bauteile im Anschluss an ein erfolgtes Aushärten von dem Presswerkzeug zu trennen und aus diesem zu entnehmen. Meist verhindert ein Anhaften des erzeugten Bauteils an das Presswerkzeug ein leichtes Entnehmen des Bauteils.
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Um das anhaftende Bauteil aus dem Presswerkzeug zu lösen, ist die Verwendung mechanischer Auswerfer bekannt, die hydraulisch ausfahrbar ausgestaltet sind und im Bedarfsfall aus der Oberfläche des Presswerkzeugs herausgefahren werden können, um das ausgehärtete Bauteil von der Werkzeugoberfläche abzudrücken und somit auszuwerfen. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass aufgrund der mechanischen Krafteinleitung das Bauteil beschädigt werden kann. Besonders Faserverbundbauteile aus Kohlenstofffasern sind aufgrund der Materialeigenschaften besonders anfällig für derartige Beschädigungen.
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Alternativ kommen Luftauswerfer zum Einsatz, die druckbeaufschlagte Luft zwischen das Bauteil und das Werkzeug blasen und so das Bauteil „kontaktlos” ablösen. Diese Vorrichtungen sind als einfache in eine Werkzeugkavität mündende Strömungskanäle aber auch als hydraulisch betriebene Luftauswerferdüsen bekannt und können durch eindringendes Harz leicht verkleben. Insbesondere die hydraulisch betriebenen Luftauswerferdüsen sind hiervon in besonderem Maße betroffen. Zusätzlich sind diese sehr kosten- und wartungsintensiv sowie störanfällig, da sie feine Düsen umfassen und aufgrund ihres komplexen Aufbaus entsprechend großen Bauraum bzw. eine entsprechende Pressengröße benötigen. Darüber hinaus sind zu ihrer Betätigung eine Vielzahl hydraulischer Anschlüsse und Zuleitungen an dem Presswerkzeug erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein möglichst einfaches und kostengünstiges Presswerkzeug bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile vermeidet oder zumindest reduziert und somit eine einfache und kostengünstige Fertigung und Entnahme des gepressten Werkstücks ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Presswerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Demnach wird ein Presswerkzeug zum Pressen eines Faserverbundwerkstücks vorgeschlagen mit mindestens einem ersten und einem zweiten gegeneinander verpressbaren Werkzeugteil, wobei in einem geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs zwischen einer ersten Oberfläche des ersten Werkzeugteils und einer zweiten Oberfläche des zweiten Werkzeugteils eine Werkzeugkavität zum Pressen des Faserverbundwerkstücks gebildet ist, sowie mit mindestens einem Luftauswerfer, der einen an einer der Oberflächen in die Werkzeugkavität einmündenden Strömungskanal zum Zuleiten von druckbeaufschlagter Luft in die Werkzeugkavität umfasst, um das Faserverbundwerkstück von dieser Oberfläche zu lösen. Außerdem weist der Strömungskanal in einem Einmündungsbereich in die Werkzeugkavität eine Querschnitterweiterung auf.
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Es wird also ein mindestens zweiteiliges Presswerkzeug mit zwei relativ zueinander bewegbaren und somit gegeneinander verpressbaren Werkzeugteilen, also beispielsweise ein Oberteil und ein Unterteil, bereitgestellt. Zwischen den Werkzeugteilen wird die Werkzeugkavität definiert, in die ein Werkstück in die gewünschte und durch die Werkzeugteile vordefinierte Form gepresst werden kann, sobald die Werkzeugteile beim Schließen des Presswerkzeugs gegeneinander verpresst werden.
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Um das gepresste Werkstück im Anschluss an den Pressvorgang möglichst schonend aus dem Presswerkzeug zu entfernen, sind ein oder mehrere Luftauswerfer vorgesehen. Diese können entweder in dem ersten Werkzeugteil oder dem zweiten Werkzeugteil oder in beiden Werkzeugteilen angeordnet sein. Der jeweilige Luftauswerfer ist im Wesentlichen in dem zugehörigen Werkzeugteil integriert und weist den Strömungskanal auf, der zu der zugehörigen ersten oder zweiten Oberfläche hin geöffnet ist. Mit dem Einmündungsbereich mündet der Strömungskanal in die Werkzeugkavität ein, wobei sich der Einmündungsbereich durch die Querschnitterweiterung auszeichnet. Die Querschnitterweiterung ist derart zu verstehen, dass sich der Strömungskanal in diesem Bereich in Richtung der Werkzeugkavität erweitert, also im Einmündungsbereich einen erweiterten Querschnitt gegenüber einem benachbart zu dem Einmündungsbereich und abgewandt zu der Werkzeugkavität angeordneten Abschnitt des Strömungskanals aufweist.
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Vorzugsweise definiert die Querschnitterweiterung einen Hohlraum zum Sammeln einer Matrix des Faserverbundwerkstücks. Es wird also in dem bereitgestellten Hohlraum ein Teil der Matrix aufgefangen, der beim Pressen des Faserverbundwerkstücks aus dem zu pressenden Halbzeug entweicht, also beispielsweise aus dem mit einer Matrix imprägnierten Faserhalbzeug. Es wird auf diese Weise verhindert, dass die Matrix tief in den Strömungskanal, insbesondere in Abschnitte mit geringerem Querschnitt als in dem Einmündungsbereich vordringt und diese verstopft.
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Da sich aufgrund des Hohlraums im Bereich der Querschnitterweiterung eine größere Menge Matrix ansammeln kann, die nicht für das eigentliche Bauteil vorgesehen und daher von diesem nachträglich entfernt werden kann, ist der Einmündungsbereich vorzugsweise in einem Bereich mit einer oder mehreren größeren Ausnehmungen des Werkstücks, also beispielsweise Durchbrüche oder Bohrungen, vorzusehen. Mit anderen Worten wird also ein Eindringen von Matrix in den Strömungskanal durch eine Matrixansammlung, also durch eine sogenannte Dombildung, in dem Hohlraum verhindert. Es erfolgt demnach ein Totlaufen der überschüssigen Matrixmenge in dem Hohlraum bevor die Matrix in den engeren Querschnitt des restlichen Strömungskanals vordringen kann.
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Die Ansammlung der Matrix kann im Nachgang auf besonders einfache Weise im Rahmen eines nachträglichen Beschnitts des Werkstücks entfernt werden. Zum Beispiel kann ein definierter Beschnittabstand, vorzugsweise mindestens 5 mm zwischen einem Rand des Einmündungsbereichs und dem eigentlichen Bauteilrand vorgesehen werden, um eine gute Beschneidbarkeit sicherzustellen.
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Grundsätzlich ist jedoch eine Anordnung des Einmündungsbereichs auch in anderen Bereichen als den genannten Ausnehmungen des zu erzeugenden Werkstücks möglich, jedoch sollte in diesen Fällen bei der Entfernung eine mögliche Beschädigung des Werkstücks vermieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Querschnitterweiterung Dom-förmig, insbesondere halbkugelförmig oder konisch, ausgebildet. Dies bedeutet, dass sich ein Querschnitt der Querschnitterweiterung mit zunehmendem Abstand von der Werkstückkavität verengt. Somit ist es möglich, dass die in die Querschnitterweiterung eingetretene Matrix auch nach ihrer Aushärtung leicht aus der Querschnitterweiterung entformbar ist und somit das Werkstück aus dem Presswerkzeug entnommen werden kann, ohne in diesem Bereich zusätzlich durch Hinterschnitte o. ä. anzuhaften.
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Entsprechend einer anderen Ausführungsform weist die Einmündung der Querschnitterweiterung in die Werkzeugkavität eine Querschnittsfläche auf, die mindestens der 2-fachen Querschnittsfläche eines der Einmündung abgewandten Endes der Querschnitterweiterung entspricht. Dank des genannten Verhältnisses wird eine Entformung in besonderer Weise erleichtert und vereinfacht.
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Vorzugsweise weist die Querschnitterweiterung eine Länge auf, die mindestens der 3-fachen Höhe der Kavität in geschlossenem Zustand des Presswerkzeugs entspricht, insbesondere der 3- bis 15-fachen Höhe. Im geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs ist die Höhe der Kavität minimal und somit das Werkstück maximal zusammengepresst. Mit anderen Worten ist in diesem Zustand die definierte Höhe der Werkzeugkavität, also der freie Innenabstand des ersten und zweiten Werkzeugteils, Referenzgröße für die Länge der Querschnitterweiterung und entspricht gleichzeitig der Dicke des maximal komprimierten Werkstücks, so dass der Begriff der „Höhe der Kavität” in diesem Zustand gleichbedeutend mit der Dicke des Werkstücks ist. Liegt die Länge bei mindestens der 3-fachen Höhe der Kavität, kann ein Eindringen der Matrix in den Strömungskanal und dessen Zusetzen reduziert oder sogar verhindert werden. Besonders gute Ergebnisse lassen sich in dem Bereich der 3 bis 15-fachen Höhe erzielen.
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Des Weiteren kann der Strömungskanal zum wechselweisen Zuleiten der druckbeaufschlagten Luft und Absaugen von Luft aus der Werkzeugkavität ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass der Luftauswerfer nicht nur zum Ausstoßen von Druckluft zum Lösen des Werkstücks aus dem Presswerkzeug eingesetzt werden kann. Vielmehr kann durch den Strömungskanal in umgekehrter Richtung Luft aus der Werkzeugkavität abgesaugt und diese somit entlüftet werden. Dies bietet die Möglichkeit, während des Pressvorgangs eingeschlossene Luft abzusaugen, die andernfalls beim Aushärten zu Lufteinschlüssen im Werkstück und somit zu Fehlstellen führen würde, um auf diese Weise also eine möglichst vollständige Durchdringung der Matrix zu erzielen. Es wird also ein Vakuum in der Werkzeugkavität erzeugt und dadurch eine Porosität des Werkstücks reduziert.
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Das Presswerkzeug kann beispielsweise für den Strömungskanal einen Druckluftanschluss zum Bereitstellen der druckbeaufschlagten Luft und/oder einen Unterdruckanschluss zum Absaugen von Luft aus dem Strömungskanal umfassen.
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Des Weiteren kann das Presswerkzeug außerdem einen zweiten Luftauswerfer mit einem in die Werkzeugkavität abgewinkelt eingreifenden zweiten Strömungskanal umfassen. Dieser kann beispielsweise in einem unteren Werkzeugteil angeordnet sein und das zu pressende Werkstück auf dessen Unterseite belüften. Selbstverständlich ist ebenso eine Anordnung in dem Oberteil oder einem anderen Werkzeugteil möglich. Der abgewinkelte Abschnitt kann derart ausgestaltet sein, dass ein Eindringen von Matrix möglichst verhindert oder zumindest reduziert wird.
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Vorzugsweise ist auch der zweite Luftauswerfer entsprechend dem beschriebenen mindestens einen Luftauswerfer ausgebildet. Insbesondere kann auch dieser zum wechselweisen Zuleiten der druckbeaufschlagten Luft und Absaugen von Luft aus der Werkzeugkavität ausgebildet sein.
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Zusätzlich kann der zweite Strömungskanal einen separaten Aufsatz zum Verbinden mit einem Einmündungsbereich des zweiten Strömungskanals umfassen, wobei der Einsatz den abgewinkelten Verlauf des zweiten Strömungskanals definiert. Tritt also ein Teil der Matrix in den zweiten Strömungskanal ein, so erfolgt dies zunächst in den separaten Aufsatz. Dieser kann anschließend leicht entfernt und getauscht bzw. gereinigt werden. Vorzugsweise wird der zweite Strömungskanal mit einer sogenannten Sperrluft beaufschlagt, um ein Eindringen von Harz zu verhindern. Der Einsatz wird vorzugsweise ebenfalls im Bereich späterer Ausnehmungen des Werkstücks angeordnet, so dass keine geometrische Beeinträchtigung des eigentlichen Werkstücks erfolgt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste und das zweite Werkzeugteil derart ausgestaltet, dass die beiden Werkzeugteile im geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs eine die Werkzeugkavität umschließende Staukantenanordnung bilden. Auf diese Weise kann während eines Pressvorgangs ein unerwünschtes (seitliches) Austreten von Matrix verhindert oder zumindest reduziert werden, so dass die Matrix in zunehmendem Maße in der Werkzeugkavität verbleibt.
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Vorzugsweise ist das beschriebene Presswerkzeug zum Nasspressen von vorimprägnierten Faserhalbzeugen in gepresste Werkstücke bzw. Faserverbundbauteile einsetzbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein Presswerkzeug gemäß der Beschreibung in schematischer Ansicht in einer Seitenansicht, und
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2 ein Unterteil des Presswerkzeugs gemäß 1 in schematischer Draufsicht.
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1 zeigt in schematischer Seitenansicht ein Presswerkzeug 10 zum Pressen eines Faserverbundwerkstücks (nicht dargestellt) mit einem ersten 11 und einem zweiten gegeneinander verpressbaren Werkzeugteil 12, wobei in einem geschlossenen Zustand (dargestellt ist der geöffnete Zustand) des Presswerkzeugs 10 zwischen einer ersten Oberfläche 11a des ersten Werkzeugteils 11 und einer zweiten Oberfläche 12a des zweiten Werkzeugteils 12 eine Werkzeugkavität 13 zum Pressen des Faserverbundwerkstücks gebildet ist, sowie mit einem ersten Luftauswerfer 14, der einen ersten, an der ersten Oberfläche 11a in die Werkzeugkavität 13 einmündenden Strömungskanal 15 zum Zuleiten von druckbeaufschlagter Luft in die Werkzeugkavität 13 umfasst, um das Faserverbundwerkstück von dieser Oberfläche 11a zu lösen.
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Außerdem weist der erste Luftauswerfer 14 bzw. dessen Strömungskanal 15 in einem Einmündungsbereich 14a in die Werkzeugkavität 13 eine Querschnitterweiterung 14b auf.
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Die Querschnitterweiterung 14b ist derart ausgebildet, dass diese einen Hohlraum zum Sammeln einer Matrix des Faserverbundwerkstücks definiert. Die Querschnitterweiterung 14b ist hierzu als Dom konisch ausgebildet.
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Eine Einmündung der Querschnitterweiterung 14b in die Werkzeugkavität (im Einmündungsbereich 14a) weist eine Querschnittsfläche auf, die ein Vielfaches der Querschnittsfläche eines der Einmündung abgewandten Endes 14c der Querschnitterweiterung 14b entspricht. Beim Schließen des Presswerkzeugs 10 kann also die Matrix in dem Dom aufgefangen werden und aus diesem beim Entnehmen des Werkstücks wieder leicht entfernt werden. Ein Zusetzen des Strömungskanals 15 wird somit verhindert.
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Die Querschnitterweiterung 14b weist außerdem eine Länge L auf. Da das Presswerkzeug 10 lediglich in geöffnetem Zustand dargestellt ist, ist die Höhe h lediglich zur Nachvollziehbarkeit ihrer Ausrichtung schematisch angedeutet, jedoch weist sie nicht den entsprechenden Betrag auf. Ebenso kann die Werkzeugkavität je nach Form des zu erzeugenden Werkstücks eine abweichende Form aufweisen.
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Des Weiteren ist der Strömungskanal 15 je nach Betriebszustand zum wechselweisen Zuleiten der druckbeaufschlagten Luft und Absaugen von Luft aus der Werkzeugkavität 13 ausgebildet. Bei einem Schließen des Presswerkzeugs kann beispielsweise eine Luft abgesaugt werden, um überschüssige Luft aus der Werkzeugkavität 13 zu entfernen. Soll dagegen das Werkstück aus dem Werkzeugteil 11, 12 entnommen werden, kann die druckbeaufschlage Luft zum Auswerfen des Werkstücks eingeleitet werden.
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Hierzu kann das Presswerkzeug 10 für den Strömungskanal 15 einen Druckluftanschluss 16 zum Bereitstellen der druckbeaufschlagten Luft und/oder einen Unterdruckanschluss 17 zum Absaugen von Luft aus dem Strömungskanal 15 umfassen.
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Zusätzlich umfasst das Presswerkzeug 10 außerdem einen zweiten Luftauswerfer 24 mit einem in die Werkzeugkavität 13 abgewinkelt eingreifenden zweiten Strömungskanal 25. Der zweite Strömungskanal 25 umfasst einen separaten Aufsatz 26 zum Verbinden mit einem Einmündungsbereich 25b des zweiten Strömungskanals 25, wobei der Einsatz 26 den abgewinkelten Verlauf des Strömungskanals 25 definiert.
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Optional sind das erste 11 und das zweite Werkzeugteil 12 derart ausgestaltet, dass die beiden Werkzeugteile 11, 12 im geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs 10 eine die Werkzeugkavität umschließende Staukantenanordnung 27 bilden.
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2 zeigt das zweite Werkzeugteil 12 des Presswerkzeugs 10 gemäß 1 in schematischer Draufsicht mit der beschriebenen Staukantenanordnung 27 sowie dem Einsatz 26. Ebenfalls dargestellt ist lediglich beispielhaft eine umlaufende Beschnittlinie 28.
