DE102013209558A1

DE102013209558A1 - Presswerkzeug und Verfahren zum Pressen von unidirektionalen Faserrovings

Info

Publication number: DE102013209558A1
Application number: DE201310209558
Authority: DE
Inventors: Martin Schindlbeck; Thomas Pohl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-11-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Presswerkzeug zum Pressen von Faser-Matrix-Halbzeugen zusammen mit unidirektionalen Faserrovings umfassend zwei aufeinander zu bewegbare Werkzeughälften mit einem dazwischen befindlichen Aufnahmeraum, wobei in wenigstens einer Werkzeughälfte mechanische Fixiermittel derart vorgesehen sind, dass ein Verschieben der Faserrovings beim Pressvorgang während des Zusammenfahrens der Werkzeughälften verhindert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Presswerkzeug gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 8. Die vorliegende Erfindung betrifft daher insbesondere ein Verfahren zum Verpressen eines Faser-Matrix-Halbzeugs zusammen mit unidirektionalen Faserrovings mit einem Presswerkzeug.
Im Stand der Technik sind Presswerkzeuge zur Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen bekannt, bei denen zwei gegeneinander bewegbare Werkzeughälften zusammenfahren, um aus den zu pressenden Faserverbundwerkstoffen einen Formkörper herzustellen.
So zeigt zum Beispiel die EP 0 385 356 A2 ein Presswerkzeug zur Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen, wobei ein Presswerkzeug benutzt wird, welches aus zwei gegeneinander bewegbaren Werkzeughälften besteht, von denen die eine Werkzeughälfte eine dem Formkörper entsprechende Kavität und die andere Werkzeughälfte einen in die Kavität einführbaren Formstempel umfassen. Presswerkzeuge dieser Art werden auch als Tauchkantenwerkzeuge bezeichnet.
Ferner zeigt die DE 195 40 189 A1 eine Pressvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen. Die Pressvorrichtung hat einen Auflagetisch, einen zur Durchführung eines Pressvorgangs in Richtung des Auflagetischs verschiebbaren Pressstempel und ein zwischen beiden montierbares Presswerkzeug. Das Presswerkzeug enthält wenigstens zwei Teile, von denen das eine eine Formplatte mit einer formgebenden Fläche und das andere ein Formkern zum Komprimieren einer zwischen ihm und der formgebenden Fläche eingebrachten Schicht aus Faserwerkstoff und Matrixwerkstoff ist. Es wird weiter offenbart, dass wenigstens eine der beiden Teile ganz oder teilweise aus einem ohne Druck im Wesentlichen formstabilen, unter Druck dagegen verformbaren Material besteht und in Abhängigkeit vom herzustellenden Formteil so ausgebildet ist, dass die Schicht aus Faserwerkstoff und Matrixwerkstoff beim Pressvorgang durch entsprechende Verformung des Formkerns in einer vorgewählten Druckverteilung komprimiert wird und sich über die gesamte formgebende Fläche hinweg vorgewählte Faser- und Matrixvolumenanteile ergeben.
Im Stand der Technik ist ferner bekannt, dass es eine Vielzahl von Kombinationen von Faser-Matrix-Halbzeugen und Fasern gibt, um die gewünschten Materialeigenschaften des herzustellenden Formteils zu beeinflussen. Im Konstruktionsbau, wie zum Beispiel im Fahrzeugbau, besteht ein zunehmendes Bedürfnis dahingehend, dass leichte, aber hochstabile Formteile hergestellt werden.
Allgemein versteht man unter Faser-Matrix-Halbzeug ein solches Halbzeug, das aus Verstärkungsfasern besteht, die mit einer Kunststoffmatrix getränkt sind. Die Faser-Matrix-Halbzeuge liegen beispielsweise mit duroplastischer oder thermoplastischer Matrix vor. Typischerweise verwendete Verstärkungsfasern sind Glasfasern und Kohlenstofffasern. Sogenannte SMC(Sheet Moulding Compound)-Halbzeuge bestehen aus einem mit Füllstoffen versehenen Harz, um unter anderem das Schrumpfungsverhalten beim thermischen Schrumpfen zu reduzieren. Sie sind typischerweise auf Pressen, insbesondere auf Heißpressen, abgestimmt und härten bei höheren Temperaturen aus. Bei Faser-Matrix-Halbzeugen mit thermoplastischer Matrix besteht der Vorteil darin, dass sie nahezu beliebig oft aufgewärmt und umgeformt werden können. Ferner sind sie miteinander verschweißbar und so gut verarbeitbar. Ein Nachteil besteht allerdings darin, dass sie infolge ihres niedrigen Schmelzpunktes nur bei relativ niedrigen Temperaturen verwendet werden können. So bestehen beispeilsweise thermoplastische Prepregs, wie die duroplastischen Prepregs, aus Endlosfasern. Hierdurch lassen sich thermoplastische Prepregs aber nur noch geringförmig umformen. Zu ihrer Herstellung werden in der Regel Hybridrovings unter Verwendung warmfester Kunststoffe verwendet. Allgemein ausgedrückt ist das Prepreg ein Halbzeug aus Endlosfasern, wobei die Endlosfasern in Form von unidirektionalen Schichten oder einem unidirektionalem Gewebe in dem Prepreg vorkommen. Ein Bündel parallel angeordneter Endlosfasern wird als Roving bezeichnet. Ein Roving wird typischerweise bei der Weiterverarbeitung und beim Verpressen von Faserverbundkunststoffen oder faserverstärkten Kunststoffen verwendet. Rovings sind in der Regel elliptisch oder rechteckigen Querschnitts. Rovings werden abhängig von der filamenten Anzahl bzw. der Feinheit unterschieden. So ist beispielsweise ein 6 K-Roving ein Roving mit 6000 Einzelfilamenten.
Beim Verpressen von Faser-Matrix-Halbzeugen zusammen mit unidirektionalen Faserrovings kommt es allerdings zu dem Problem, dass der Roving beim Pressen verschoben wird und nicht an der gewünschten Position und in gewünschter Lage in der Fasermatrix eingebettet wird. Da der Roving im Verbund mit der Matrix eingesetzt wird, besitzt er nur in der gewünschten Faserlängsrichtung auch die gewünschte hohe Festigkeit und Steifigkeit. Mechanisch gesehen ist damit ein Roving eine unidirektionale Schicht. Wird ein Formteil hergestellt, werden die Rovings entlang der Hauptlastpfade in der Regel in einem handwerklichen Herstellungsprozess mit der Hand verlegt. Im Bereich des Automobilbaus werden zunehmend Karbonfaserrovings im Bauteil integriert. Werden diese zum Beispiel mit einem SMC-Halbzeug verpresst, kommt es immer wieder vor, dass die Karbonfaserrovings durch den Pressprozess verschoben werden. Nachteilig ist dabei nicht nur der Umstand, dass die Karbonfaserrovings durch den Pressvorgang verschoben werden, sondern auch die Tatsache, dass diese undefiniert im Bauteil vorliegen. Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pressvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus unidirektionalen Rovings bereitzustellen, bei dem vorbesagte Nachteile überwunden werden und insbesondere beim Pressvorgang die Rovings an einer zuvor definierten Position im Bauteil integriert bleiben.
Diese Aufgabe wird durch ein Presswerkzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst.
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es dabei, im Presswerkzeug mechanische Fixiermittel so vorzusehen, dass ein Verschieben der Faserrovings beim Pressvorgang d. h. während des Zusammenfahrens der Werkzeughälften verhindert wird. Bei Verwendung von unidirektionalen Faserrovings bedeutet dies, dass die Fixiermittel ebenfalls als unidirektionale Fixiermittel in wenigstens einer der Werkzeughälften orientiert werden. Die Fixiermittel sind in ihrer Geometrie und Form dabei auf die Abmessungen der zu verwendeten Faserrovings abgestimmt.
Mit Vorteil werden die mechanischen Fixiermittel dabei in einer der beiden Werkzeughälften, vorzugsweise in die Auflagefläche einer unteren Werkzeughälfte eingebracht.
Erfindungsgemäß wird somit ein Presswerkzeug zum Pressen von Faser-Matrix-Halbzeugen zusammen mit unidirektionalen Faserrovings bereitgestellt, wobei das Presswerkzeug zwei aufeinander zu bewegbare Werkzeughälften mit einem dazwischen befindlichen Aufnahmeraum aufweist, wobei in wenigstens einer Werkzeughälfte mechanische Fixiermittel derart vorgesehen sind, dass ein Verschieben der Faserrovings beim Pressvorgang während des Zusammenfahrens der Werkzeughälften verhindert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Fixiermittel als zueinander parallel angeordnete, unidirektionale Strukturen in einer der Werkzeugoberflächen der Werkzeughälften ausgebildet. Besonders bevorzugt sind parallel angeordnete, unidirektionale Strukturen, wie beispielsweise Vertiefungen oder Erhöhungen, in der unteren Auflagefläche der unteren Werkzeughälfte. Die unidirektionalen Faserrovings werden mit ihrer Faserrichtung vor dem Verpressen entlang d. h parallel zu den Fixiermittel angeordnet und oberhalb des so auf dem Presswerkzeug angeordneten Faserrovings ferner ein Faser-Matrix-Halbzeug positioniert wird, welches zusammen mit den Rovings beim Zusammenfahren der Werkzeughälften zu einem Formteil verpresst wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Fixiermittel als Vertiefungen in einer der Werkzeugoberflächen ausgebildet sind. Alternativ können die Fixiermittel aber auch als Erhöhungen ausgebildet sein, zwischen die jeweils ein Faserroving eingelegt wird. Die Länge der unidirektionalen Fixiermittel richtet sich dabei nach der Länge der zu verpressenden Rovings. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die eine Werkzeughälfte demnach ein Werkzeugoberteil und die zweite Werkzeughälfte ein Werkzeugunterteil, wobei im Werkzeugunterteil die der zweiten Werkzeughälfte zugewandte Werkzeugseite eine Auflagefläche ausbildet, in der Vertiefungen oder allgemein Fixiermittel angeordnet sind.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Fixiermittel als kastenförmige, längliche Vertiefungen in der Werkzeugoberfläche ausgebildet.
In einer alternativen Ausführungsform können die Fixiermittel als muldenartige, längliche Vertiefungen in der Werkzeugoberfläche ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Verpressen eines Faser-Matrix-Halbzeuges zusammen mit unidirektionalen Faserrovings in einem wie zuvor beschriebenen Presswerkzeug vorgeschlagen, mit den folgenden Schritten:

a) Einbringen des Faser-Matrix-Halbzeugs zusammen mit unidirektionalen Faserrovings zwischen die Werkzeughälften (in den dazwischen befindlichen Aufnahmeraum), wobei die Faserrovings dabei in ihrer Axialrichtung entlang der Orientierung der Fixiermittel im Presswerkzeug ausgerichtet werden und
b) Verpressen des Faser-Matrix-Halbzeugs zusammen mit den unidirektionalen Faserrovings durch Zusammenfahren der Werkzeughälften um einen definierten Hubweg.

Die Pressenkraft wird durch den einstellbaren Hydraulikdruck im Pressenzylinder bestimmt. Das Material fließt dabei bis zur Tauchkante und füllt die ganze Werkzeugkavität aus. Nachdem das Material die Kavität ausgefüllt hat baut sich im Material ein Druck auf bis es zum Kräftegleichgewicht von Material und Pressenkraft kommt. Abhängig von der Menge (Volumen und Dichte) des eingelegten Materiales lässt sich somit die Bauteildicke beeinflussen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Faser-Matrix-Halbzeug ein Karbonfasermatrix-Halbzeug verwendet und werden als unidirektionale Faserrovings Karbonfaserrovings verwendet. Hierdurch lassen sich hochfeste und leichte Faserverbundformteile herstellen, bei denen die unidirektionalen Faserrovings in einer zuvor definierten Lage und Position entsprechend dem Fixiermittel in der Matrix eingebettet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Querschnittsflächen der Fixiermittel im Werkzeug dem Querschnitt der verwendeten Faserrovings im verpressten Zustand angepasst bzw. entsprechen diesen. Dies kann z. B. dadurch bewerkstelligt werden, dass austauschbare Werkzeugeinsätze mit unterschiedlichen Fixiermitteln abgestimmt auf die Art und Größe des Faserrovings verwendet werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Presswerkzeugs vor dem Pressvorgang;
2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Presswerkzeugs mit einem verpressten Formteil nach dem Pressvorgang;
3 zwei Ausführungsbeispiele von Fixiermitteln in einem Presswerkzeug und
4 eine Detailansicht eines Faserrovings, der in einer Vertiefung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus 3 positioniert wurde.
In 1 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Werkzeugdesignkonzeptes zur prozesstechnischen Fixierung von unidirektionalen Prepregs gezeigt. 1 zeigt einen Verfahrenszustand vor dem Verpressen eines Faser-Matrix-Halbzeuges 11 zusammen mit einem unidirektionalen Faserroving 10. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird beispielhaft ein Standard-SMC-Halbzeug mit einem unidirektionalen Faserroving verpresst. Das Presswerkzeug 1 besteht aus einer oberen Werkzeughälfte 2 und einer darunter angeordneten Werkzeughälfte 3. Die Werkzeughälfte 2 ist somit ausgebildet als Werkzeugoberteil, während die Werkzeughälfte 3 als Werkzeugunterteil mit einer Auflagefläche 30 ausgebildet ist. Die Auflagefläche 30 ist der Werkzeugoberfläche 20 des Werkzeugoberteils 2 gegenüberliegend angeordnet. Zwischen dem Werkzeugoberteil 2 und dem Werkzeugunterteil 3 befindet sich ein Aufnahmeraum 5. In den Aufnahmeraum 5 ist eine Faser-Matrix-Halbzeuge 11 zusammen mit darunter angeordneten unidirektionalen Faserrovings 10 eingebracht. Ferner ist in der schematischen Ansicht zu erkennen, dass in dem Werkzeugunterteil 3 mehrere parallel zueinander orientierte, mechanische Fixiermittel 4 in Form von muldenartigen Vertiefungen in der Werkzeugoberfläche 30 angeordnet sind. Die jeweils zwischen zwei benachbarten Vertiefungen 4 vorhandenen Stege 6 des Werkzeugunterteils 3 bilden mit der Werkzeugoberfläche 30 eine gemeinsame Auflageebene aus. Das Faser-Matrix-Halbzeug 11 wird zusammen mit den unidirektionalen Faserrovings 10 verpresst, indem das Werkzeugoberteil 2 relativ zum Werkzeugunterteil 3 bewegt wird.
In der 2 ist schematisch ein Zustand nach dem Verpressen des Faser-Matrix-Halbzeugs 11 zusammen mit den unidirektionalen Faserrovings 10 gezeigt. Das Werkzeugoberteil 2 und das Werkzeugunterteil 3 sind wieder in ihre ursprüngliche Ausgangsposition auseinandergefahren. Dazwischen angedeutet ist das verpresste Formteil 12. In dem Formteil 12 ist schematisch angedeutet, dass die unidirektionalen Rovings in der durch die Fixiermittel 4 vorbestimmten Position in die Matrix eingebettet wurden. In dem Werkzeug nach 1 und 2 verlaufen sowohl die Fixiermittel 4 als auch die unidirektionalen Faserrovings 10 in ihrer Längserstreckung in einer bezüglich der Zeichenebene orthogonalen Richtung.
In der 3 sind zwei Ausführungsformen von Fixiermitteln 4 dargestellt. Die linke Abbildung in 3 stellt eine kastenartige Vertiefung in dem Werkzeugunterteil 3 in der Werkzeugoberfläche 30 dar. Der Höhenunterschied H zwischen der Werkzeugoberfläche 30 und dem Boden 31 des kastenförmigen Fixiermittels 4 ist hier beispielsweise 1 mm. Der Abstand von der Seitenwand 32a zur Seitenwand 32b beträgt etwa 2 mm. Allerdings ist die Breite und Höhe der Fixiermittel 4 entsprechend auf die Dimension bzw. den Querschnitt des zu verwendenden Faserrovings 10 abzustimmen. In der rechten Abbildung der 3 ist eine alternative Ausführungsform eines mechanischen Fixiermittels 4 im Werkzeugunterteil 3 gezeigt. Die hier dargestellten Fixiermittel 4 sind als muldenartige, parallel zueinander verlaufende, längliche Vertiefungen in der Werkzeugoberfläche 30 ausgebildet. Die Höhendifferenz zwischen der Werkzeugoberseite und des Muldenbodens 31 beträgt beispielsweise 1 mm, während die Breite von einem Sattel 33 zum benachbarten Sattel 33 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 2 mm beträgt.
4 ist eine Detailansicht eines Fixiermittels 4 gemäß dem linken Ausführungsbeispiel aus 3 gezeigt, in den ein Faserroving 10 positioniert wurde. Mit Hilfe dieser schematischen Darstellung wird die Funktionsweise des Fixiermittels 4 und die Wirkung der Seitenwände 32a bzw. 32b verdeutlicht. Die Wände 32a, 32b verhindern beim Verpressen der Matrix mit den Rovings ein Verschieben der unidirektionalen Lage in eine Querrichtung im Werkzeug. Die unidirektionalen Faserrovings können nicht aus ihrer Lage herausbewegt werden, weil sie mechanisch von dem Fixiermittel 4 gehalten werden. Beim Verpressen werden somit die Lage und die Position der unidirektionalen Faserrovings im Bauteil bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0385356 A2 [0003]
DE 19540189 A1 [0004]

Claims

Presswerkzeug (1) zum Pressen von Faser-Matrix-Halbzeugen (11) zusammen mit unidirektionalen Faserrovings (10) umfassend zwei aufeinander zu bewegbare Werkzeughälften (2, 3) mit einem dazwischen befindlichen Aufnahmeraum (5), wobei in wenigstens einer Werkzeughälfte (2, 3) mechanische Fixiermittel (4) derart vorgesehen sind, dass ein Verschiebender Faserrovings (10) beim Pressvorgang während des Zusammenfahrens der Werkzeughälften (2, 3) verhindert wird,
Presswerkzeug (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermittel (4) als zueinander parallel angeordnete, unidirektionale Strukturen in einer der sich gegenüberliegenden Werkzeugoberflächen (20, 30) einer der Werkzeughälften (2, 3) ausgebildet sind.
Presswerkzeug (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermittel (4) Vertiefungen oder Erhöhungen in einer der sich gegenüberliegenden Werkzeugoberfläche (20, 30) einer der Werkzeughälften (2, 3) ausgebildet sind.
Presswerkzeug (1) gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Werkzeughälfte (2) ein Werkzeugoberteil und die zweite Werkzeughälfte (3) ein Werkzeugunter teil darstellen.
Presswerkzeug (1) gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermittel (4) als kastenförmige, längliche Vertiefungen in einer der Werkzeugoberflächen (20, 30) ausgebildet sind.
Presswerkzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermittel (4) als muldenartige, längliche Vertiefungen in einer der Werkzeugoberflächen (20, 30) ausgebildet sind.
Presswerkzeug (1) gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermittel (4) in der Werkzeugoberfläche (20) des Werkzeugunterteils (2) angeordnet sind.
Verfahren zum Verpressen eines Faser-Matrix-Halbzeuges (11) zusammen mit unidirektionalen Faserrovings (10) in einem Presswerkzeug (1), das ausgebildet ist gemäß wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, mit den folgenden Schritten: a. Einbringen des Faser-Matrix-Halbzeugs (11) zusammen mit den unidirektionalen Faserrovings (10) in den Aufnahmeraum (5) zwischen die Werkzeughälften (2, 3), wobei die Faserrovings (10) dabei in ihrer Axialrichtung entlang den Fixiermittel (4) ausgerichtet werden und b. Verpressen des Faser-Matrix-Halbzeugs (11), zusammen mit den unidirektionalen Faserrovings (10) durch Zusammenfahren der Werkzeughälften (2, 3) um einen definierten Hubweg.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Faser-Matrix-Halbzeug (11) ein Karbonfaser-Matrix-Halbzeug und als unidirektionale Faserrovings (10) Karbonfaserrovings verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Fixiermittel (4) in etwa dem Querschnitt der verwendeten Faserovings (10) im verpressten Zustand entspricht.