DE102013207668A1

DE102013207668A1 - Werkzeug zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils mit wenigstens einer Entlüftungsbohrung und darin angeordnetem Auswerferstift

Info

Publication number: DE102013207668A1
Application number: DE102013207668.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Krull; Bernhard Heim; Joerg Theinert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-04-26
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2014-10-30
Also published as: EP2988913A2; WO2014173671A2; EP2988913B1; WO2014173671A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (300), insbesondere zur Herstellung eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteils, umfassend wenigstens ein erstes Werkzeugteil (110) und wenigstens ein zweites Werkzeugteil, die zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs (100) relativ zueinander verfahrbar sind und die zur Bildung einer Kavität mit korrespondierenden Formbereichen (111) ausgebildet sind. Es ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Werkzeugteile (110) im Formbereich (111) mit wenigstens einer Entlüftungsbohrung (115) ausgebildet ist, in der ein längsbeweglicher Stift (150) zum Öffnen und Schließen einer in die Entlüftungsbohrung (115) mündenden Entlüftungsleitung (140) angeordnet ist, wobei dieser Stift (150) gleichfalls auch als Auswerfer zum Entformen eines hergestellten Bauteils (300) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils, insbesondere zur Herstellung eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteils, gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Art.
Ein gängiges Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils ist das RTM-Verfahren. Ein Werkzeug zur Durchführung eines RTM-Verfahrens besteht typischerweise aus zwei Werkzeugteilen (Formhälften), welche mit Formbereichen ausgebildet sind, die bei geschlossenem Werkzeug eine Kavität bilden. Bei geöffnetem Werkzeug wird in die Kavität ein Faserausgangsmaterial (Faserhalbzeug) eingelegt. Nach dem Schließen des Werkzeugs wird in der Kavität ein Vakuum erzeugt, indem diese über eine Entlüftungsleitung mit einer Vakuumquelle verbunden wird. Danach wird ein Harzmaterial (Matrixmaterial) in die Kavität eingebracht, welches dann unter Druck und/oder Wärme aushärtet. Zum Entformen des fertigen Bauteils wird das Werkzeug geöffnet und das Bauteil durch Auswerfer aus der Kavität herausgelöst.
In der DE 10 2011 050 976 A1 sind eine Auswerfvorrichtung und ein Werkzeug mit einer Auswerfvorrichtung beschrieben. Zum Stand der Technik wird auch auf die DE 10 2010 052 180 A1 , DE 198 13 105 A1 und DE 198 50 462 A1 hingewiesen.
Ein anderes gängiges Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils ist das Nasspress-Verfahren. Hierzu werden mit Harzmaterial getränkte Faserhalbzeuge in die Kavität eines Presswerkzeugs eingelegt und unter Druck und/oder Wärme ausgehärtet. Zum Entformen des fertigen Bauteils wird das Werkzeug geöffnet und das Bauteil durch Auswerfer aus der Kavität herausgelöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug betreffender Art anzugeben, das gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugen wenigstens einen technologischen und/oder wirtschaftlichen Vorteil bietet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Das erfindungsgemäße Werkzeug umfasst wenigstens ein erstes Werkzeugteil und wenigstens ein zweites Werkzeugteil, die zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs relativ zueinander verfahrbar sind und die zur Bildung einer Kavität mit korrespondierenden Formbereichen ausgebildet sind, wobei vorgesehen ist, dass wenigstens eines der Werkzeugteile in seinem Formbereich (bzw. innerhalb der Kavität) mit wenigstens einer Entlüftungsbohrung ausgebildet ist, in der ein längsbeweglicher Stift (bzw. Bolzen) zum öffnen und Schließen einer in die Entlüftungsbohrung mündenden Entlüftungsleitung angeordnet ist und dieser Stift gleichfalls auch als Auswerfer zum Entformen eines hergestellten Bauteils ausgebildet ist.
Über die in die Entlüftungsbohrung mündende Entlüftungsleitung kann die Kavität entlüftet und bei Verbinden mit einer Vakuumquelle auch evakuiert werden.
Der längsbeweglich in der Entlüftungsbohrung geführte Stift (bzw. Bolzen) hat somit zumindest eine Doppelfunktion, indem dieser einerseits als Ventilschieber und andererseits als Auswerfer bzw. Auswerferstift benutzbar ist. Das Werkzeug kann somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Werkzeugen einfacher konstruiert und aufgebaut werden. Dadurch können Werkzeuggewicht und Herstellungskosten eingespart werden. Auch der Fertigungsbetrieb mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug erweist sich als weniger aufwändig.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Stift in einer in der Entlüftungsbohrung angeordneten Buchse längsbeweglich (bzw. in axialer Richtung) geführt ist. Bei der Buchse kann es sich bspw. um eine metallische Buchse handeln, die in die Entlüftungsbohrung eingeschraubt, eingepresst und/oder eingeklebt ist. Der Stift und die Buchse sind bevorzugt mit einer definierten Passung ausgebildet, um eine störungsfreie Führung und einwandfreie Abdichtung zu gewährleisten.
Der Stift ist an seinem der Kavität zugewandten axialen Ende bevorzugt mit einer planen (d. h. ebenen und glatten) Stirnfläche ausgebildet. Bevorzugt handelt es sich um einen metallischen Stift.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäß ausgebildete Entlüftungsbohrung in einem Harzreservoirbereich angeordnet ist, so dass der Stift auch als Nachdrückstift verwendet werden kann, um einen lokalen Kavitätsinnendruck erzeugen zu können. Hierzu wird der Stift definiert, bspw. mit vorgegebener Druckkraft, in die Kavität eingefahren. Nachdrückstifte, mit denen, insbesondere während des Aushärtens, ein lokaler Kavitätsinnendruck (Forminnendruck) erzeugt werden kann, bspw. um Schwindungen in Bauteilbereichen mit Materialanhäufungen zu kompensieren und/oder in kritischen Bauteilbereichen eine bessere Formabbildung zu erhalten, sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann eine Vielzahl von Entlüftungsbohrungen und darin angeordneten längsbeweglichen Stiften aufweisen, wobei die Stifte miteinander gekoppelt und synchron (d. h. gleichzeitig) betätigbar sind. Eine Kopplung der Stifte kann bspw. durch eine gemeinsame Betätigungseinrichtung erfolgen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Werkzeug eine Vielzahl von Entlüftungsbohrungen und darin angeordneten längsbeweglichen Stiften aufweist, wobei die Stifte unabhängig voneinander und insbesondere einzeln betätigbar sind. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass jeder Stift einzeln betätigbar ist, wozu jedem Stift eine Betätigungseinrichtung zugeordnet sein kann. Dadurch kann sowohl das Entlüften oder das Evakuieren (Vakuumieren) der Kavität als auch das Entformen des Bauteils an konkrete Erfordernisse angepasst werden, was sowohl die zeitliche Steuerung der Stifte als auch die erzeugten Stellkräfte und Stellbewegungen (Stellwege) umfassen kann. Eine Betätigungseinrichtung kann bspw. ein im Werkzeug verbauter oder außen am Werkzeug angebauter hydraulischer, pneumatischer oder elektromotorischer Antrieb sein.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann ferner auch eine in wenigstens eine Entlüftungsbohrung mündende Füllleitung zum Begasen der Kavität aufweisen. Durch ein über diese Füllleitung in die Kavität eingebrachtes Gas kann ein, gegebenenfalls nur lokal wirksamer, Kavitätsinnendruck erzeugt und/oder ein geschäumtes Bauteil hergestellt werden. Es ist vorgesehen, dass der in dieser Entlüftungsbohrung längsbeweglich angeordnete Stift auch zum Öffnen und Schließen der Füllleitung dient. Besonders bevorzugt ist nur eine Leitung vorgesehen, die wahlweise als Entlüftungsleitung oder als Füllleitung dient.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug handelt es sich insbesondere um ein RTM-Werkzeug zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils nach dem RTM-Verfahren, wie eingangs erläutert, wozu dieses Einrichtungen, wie bspw. Einspritzdüsen, umfasst, die bei geschlossenem Werkzeug das Einbringen eines Harzmaterials in die Kavität ermöglichen.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug kann es sich auch um ein Nasspresswerkzeug zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils nach dem Nasspress-Verfahren, wie eingangs erläutert, handeln. Ein solches Werkzeug kommt ohne RTM-verfahrensspezifische Einrichtungen aus. Mit einem solchen erfindungsgemäßen Werkzeug können in vorteilhafter Weise aufgrund der möglichen Evakuierung der Kavität auch beim Nasspressen definierte Kavitätsinnendrücke erzeugt werden (was bislang kaum möglich ist), wodurch sich auch mit dem Nasspress-Verfahren Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit hoher Bauteilqualität herstellen lassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert. Hierbei können die in der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein. In der Zeichnung zeigt
1 in mehreren schematischen Schnittansichten einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Werkzeug, wobei verschiedene Phasen eines Herstellvorgangs dargestellt sind.
1 zeigt schematisch und somit nicht maßstabsgerecht einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Werkzeug 100 zum Herstellen eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils. Das Werkzeug 100 umfasst ein Werkzeugunterteil 120 und ein hierzu verfahrbares Werkzeugoberteil 110. Die Werkzeugteile 110 und 120 sind mit korrespondierenden Formbereichen 111 und 121 ausgebildet, die bei geschlossenem Werkzeug, wie dargestellt, eine Kavität 130 bilden. Das Werkzeugoberteil 110 weist an der gezeigten Stelle eine Entlüftungsbohrung 115 auf, in die eine Entlüftungsleitung 140 mündet. Die Entlüftungsleitung 140 ist beispielhaft als im Werkzeugoberteil 110 quergeführte Bohrung ausgebildet.
In der Entlüftungsbohrung 115 ist ein stempelartiger, kreiszylindrischer Stift 150 angeordnet, der längsbeweglich in einer in der Entlüftungsbohrung 115 angeordneten Buchse bzw. Hülse 160 gelagert ist. Die Betätigung des Stifts 150 kann mit Hilfe eines hydraulischen, pneumatischen oder elektromotorischen Antriebs erfolgen. Der Stift 150 ist mit einer planen Stirnfläche 151 ausgebildet.
Durch Längsbewegen des Stifts 150 entlang der Längsachse L kann die Entlüftungsleitung 140 geöffnet und geschlossen werden. 1a zeigt den geöffneten Zustand, wobei eine Fluidverbindung zwischen der Kavität 130 und der Entlüftungsleitung 140 besteht. 1b zeigt den geschlossenen Zustand. Der Stift 150 fungiert somit als Ventilschieber. Ferner fungiert der Stift 150 als Nachdrückstift und als Auswerferstift, wie nachfolgend erläutert.
1a zeigt das Werkzeug 100 nach dem Schließen. Mit 200 ist ein in der Kavität 130 eingelegtes Fasermaterial bezeichnet. Der von der Kavität 130 zurückgezogene Stift 150 gibt die Entlüftungsleitung 140 frei, wodurch die Kavität 130 evakuiert werden kann. Ist die Evakuierung abgeschlossen, so wird der Stift 150 in die in 1b gezeigte Neutralstellung gebracht, wobei die Stirnfläche 151 des Stifts 150 planparallel mit der Kavitätswandung ist (d. h. die Stirnfläche 151 bildet einen Flächenteil der Kavitätswandung). Anschließend oder gegebenenfalls auch zeitgleich kann in die Kavität 130 ein Harzmaterial eingebracht werden, wozu das Werkzeug 100 nicht dargestellte Einspritzdüsen oder dergleichen aufweist.
Noch bei geschlossenem Werkzeug 100 erfolgt die Aushärtung des in die Kavität eingebrachten Harzmaterials unter Druck- und Wärmeeinwirkung, wobei das Harzmaterial zusammen mit dem Fasermaterial 200 ein Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 300 bildet. Die Kavität 130 weist an der Entlüftungsbohrung 115 einen als Harzreservoir dienenden Bereich (Harzreservoirbereich) 135 auf, der konstruktiv vorgegeben ist. In der so genannten Nachdruckphase während des Aushärtens kann der Stift 150 mit definierter Druckkraft und/oder mit definiertem Stellweg vorgefahren und hierbei in die Kavität 130 eingefahren werden, wodurch das im Harzreservoir 135 befindliche Harzmaterial gezielt verdrängt wird. Dies ist in 1c gezeigt.
Nach dem Aushärten wird das Werkzeug 100 geöffnet, so dass das hergestellte Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil 300 entnommen werden kann. Zur Entformung des Bauteils 300 wird der Stift 150 als Auswerferstift betätigt, wozu dieser noch weiter vorgefahren wird. Dies ist in 1d gezeigt.
Das Werkzeug 100 kann mehrere und insbesondere auch eine große Anzahl derart ausgebildeter Entlüftungsbohrungen 115 mit entsprechend ausgebildeten Stiften 150 aufweisen, die identisch oder unterschiedlich gestaltet sein können. Diese können sowohl im Werkzeugoberteil 110 als auch im Werkzeugunterteil 120 angeordnet sein. Ferner können diese weitgehend frei (d. h. im Wesentlichen nicht an konstruktive Randbedingungen gebunden) und hierbei insbesondere auch gleichmäßig verteilt in den Formbereichen 111 und/oder 121 angeordnet werden.
Die Leitung 140 kann anstatt zur Entlüftung oder Evakuierung der Kavität 130 auch als Füllleitung zur aktiven Begasung der Kavität 130 verwendet werden, wie obenstehend erläutert. Ferner ist denkbar, dass die Leitung 140 sowohl zum Evakuieren als auch zum Begasen der Kavität 130 verwendet wird (Doppelfunktion). In beiden Fällen kann der Stift 150 als Ventilschieber fungieren.
Bezugszeichenliste

100: Werkzeug
110: Werkzeugoberteil (obere Werkzeughälfte)
111: Formbereich
115: Entlüftungsbohrung
120: Werkzeugunterteil (untere Werkzeughälfte)
121: Formbereich
130: Kavität
135: Harzreservoir
140: Leitung
150: Stift (Bolzen)
151: Stirnfläche
160: Buchse
200: Fasermaterial
300: Bauteil
L: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011050976 A1 [0003]
DE 102010052180 A1 [0003]
DE 19813105 A1 [0003]
DE 19850462 A1 [0003]

Claims

Werkzeug (100) zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils (300), insbesondere zur Herstellung eines kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteils, umfassend wenigstens ein erstes Werkzeugteil (110) und wenigstens ein zweites Werkzeugteil (120), die zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs (100) relativ zueinander verfahrbar sind und die zur Bildung einer Kavität (130) mit korrespondierenden Formbereichen (111, 121) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Werkzeugteile (110) im Formbereich (111) mit wenigstens einer Entlüftungsbohrung (115) ausgebildet ist, in der ein längsbeweglicher Stift (150) zum Öffnen und Schließen einer in die Entlüftungsbohrung (115) mündenden Entlüftungsleitung (140) angeordnet ist, wobei dieser Stift (150) gleichfalls auch als Auswerfer zum Entformen eines hergestellten Bauteils (300) ausgebildet ist.
Werkzeug (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (150) in einer in der Entlüftungsbohrung (115) angeordneten Buchse (160) längsbeweglich geführt ist.
Werkzeug (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (150) an seinem der Kavität zugewandten axialen Ende mit einer planen Stirnfläche (151) ausgebildet ist.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsbohrung (115) in einem Harzreservoirbereich (135) angeordnet ist, so dass der Stift (150) auch als Nachdrückstift verwendet werden kann, um einen lokalen Kavitätsinnendruck zu erzeugen.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Vielzahl von Entlüftungsbohrungen (115) und darin angeordneten längsbeweglichen Stiften (150) aufweist, wobei die Stifte (150) miteinander gekoppelt und synchron betätigbar sind.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Vielzahl von Entlüftungsbohrungen (115) und darin angeordneten längsbeweglichen Stiften (150) aufweist, wobei die Stifte (150) unabhängig voneinander betätigbar sind.
Werkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Stift (150) einzeln betätigbar ist, wozu jedem der Stifte (150) eine Betätigungseinrichtung zugeordnet ist.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine in wenigstens eine Entlüftungsbohrung (115) mündende Füllleitung zum Begasen der Kavität (130) aufweist, wobei der in dieser Entlüftungsbohrung (115) längsbeweglich angeordnete Stift (150) ebenfalls zum Öffnen und Schließen der Füllleitung ausgebildet ist.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein RTM-Werkzeug handelt.
Werkzeug (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Nasspresswerkzeug handelt.