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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, insbesondere zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffformteilen, nach dem RTM-Verfahren.
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Die Erfindung betrifft ferner einen metallischen Dichtkörper zur Verwendung in einem solchen Werkzeug.
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Ein Werkzeug der betreffenden Art weist wenigstens ein erstes Werkzeugteil und wenigstens ein zweites Werkzeugteil auf, die zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs entlang einer Bewegungsachse relativ zueinander verfahrbar sind und die zur Bildung einer Kavität bzw. eines Formhohlraums (bei geschlossenem Werkzeug) mit korrespondierenden Formbereichen ausgebildet sind. Bei den Werkzeugteilen handelte es sich insbesondere um ein Werkzeugunterteil und um ein hierzu verfahrbares Werkzeugoberteil. Das Werkzeug ist typischerweise in einer Presse oder Schließvorrichtung eingebaut.
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Beim RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) wird ein Verstärkungsfasern enthaltendes Material, wobei es sich insbesondere um ein formbares oder bereits vorgeformtes Faserhalbzeug (bspw. ein Fasergewebe und insbesondere ein Kohlenstofffasern enthaltendes Fasergewebe) in die Kavität des geöffneten Werkzeugs eingelegt. Nach dem Einlegen wird das Werkzeug geschlossen und die Kavität wird, gegebenenfalls nach Evakuierung, mit einer Kunststoff- bzw. Harzmasse (bspw. einem Epoxydharz) gefüllt, die sich mit dem faserhaltigen Material verbindet und unter Einwirkung von Wärme und Druck (Nachdruck) aushärtet. Nach dem Aushärten wird das Werkzeug geöffnet und das auf diese Weise hergestellte faserverstärkte Kunststoffformteil (bzw. Faserverbund-Kunststoffformteil) kann entnommen werden. Aus dem Stand der Technik sind diverse Variationen des RTM-Verfahrens bekannt.
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Zur Abdichtung des Werkzeugs im geschlossenen Zustand kommen typischerweise Dichtungen aus einem Elastomermaterial zum Einsatz, die jedoch wegen der hohen Belastungen nur eine geringe Standzeit haben und die daher regelmäßig ausgewechselt werden müssen, was mit einer längeren Stillsetzung des Werkzeugs, sowie mit Kosten und Aufwand verbunden ist.
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In der
DE 10 2011 077 463 A1 wird ein Werkzeug vorgeschlagen, bei dem in wenigstens einem der Werkzeugteile eine expandierbare Dichtung angeordnet ist, die bei geschlossenem Werkzeug zumindest abschnittsweise eine Abdichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil bewerkstelligt, wobei diese expandierbare Dichtung wenigstens einen metallischen Dichtkörper aufweist, der an seiner Unterseite mittels eines Druckmediums mit einer definierten Druckkraft beaufschlagbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Werkzeug der eingangs genannten Art die Abdichtung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst von einem erfindungsgemäßen Werkzeug (RTM-Werkzeug) mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf einen erfindungsgemäßen metallischen Dichtkörper (bzw. eine metallische Dichtung) zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Werkzeug. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Werkzeugs und des erfindungsgemäßen metallischen Dichtkörpers ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Werkzeugteile außerhalb ihrer Formbereiche mit einander zugewandten und sich parallel zur Bewegungsachse erstreckenden Schließflächen ausgebildet sind zwischen denen, bei geschlossenem Werkzeug, die Abdichtung der Kavität erfolgt, wozu an einer dieser Schließflächen (wenigstens) ein aus Metall gebildeter, elastisch verformbarer und im Wesentlichen sich senkrecht zur Bewegungsachse erstreckender Dichtkörper angeordnet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug erfolgt die Abdichtung der durch die Formbereiche gebildeten Kavität außerhalb der Trennebene (bzw. Trennfläche) zwischen den Formbereichen. Hierzu sind die Werkzeugteile mit umlaufenden bzw. die Formbereiche umgebenden Wandungsabschnitten, den Schließflächen, ausgebildet, die sich parallel zur Bewegungsachse bzw. parallel zur Öffnungs- und Schließrichtung erstrecken und die beim Schließen des Werkzeugs in Überdeckung gebracht werden und sich entlang der Bewegungsachse relativ zueinander bewegen können. Eine Schließfläche kann entlang ihres Umfangs mehrere Schließflächenabschnitte umfassen. Die Abdichtung der Kavität erfolgt zwischen diesen einander zugewandten Schließflächen mit Hilfe wenigstens eines umlaufenden Dichtkörpers, der, insbesondere unmittelbar, zwischen den Schließflächen wirkt. Die Abdichtung der Kavität erfolgt zwischen den Schließflächen und somit prinzipiell im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsachse.
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Der Dichtkörper dient sowohl zur Abdichtung eines Vakuums in der Kavität (bspw. mit –0,8 bar) als auch zur Abdichtung der Kavität gegen Austreten von Kunststoff- bzw. Harzmasse. Die erforderlichen Dichtkräfte (Anpresskräfte des Dichtkörpers) sind verhältnismäßig gering. Zudem können hohe Kavitätsinnendrücke von bis zu 80 bar abgedichtet werden, so dass sich das erfindungsgemäße Werkzeug auch für das Hochdruck-RTM-Verfahren eignet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug ist die mit dem Dichtkörper erzielte Dichtwirkung sowohl unabhängig vom Abstand der Werkzeugteile (Abstand auf der Bewegungsachse) als auch unabhängig von der Kraft, mit der die Werkzeugteile zusammengepresst werden. Damit ist auch die Belastung des Dichtkörpers hiervon unabhängig. Zudem sind die erforderlichen Dichtkräfte (Anpresskräfte des Dichtkörpers) verhältnismäßig gering. Der eingesetzte Dichtkörper weist somit eine hohe Standzeit auf.
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Ferner kann in besonders vorteilhafter Weise ein metallischer Dichtkörper verwendet werden, der Relativbewegung zwischen den Schließflächen und hohen Temperaturen (bspw. von mehr als 100°C) standhält (mechanische und thermische Stabilität) und der sich zudem einfach reinigen lässt (bspw. um Anhaftungen zu entfernen). Bevorzugt ist ein einzelner metallischer Dichtkörper vorgesehen, der einstückig ausgebildet oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein kann. Der metallische Dichtkörper weist elastische Eigenschaften auf, was insbesondere durch konstruktive Gestaltung erreicht wird, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug können faserverstärkte Kunststoffformteile mit unterschiedlichen Faser-Matrix-Kombinationen und insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffformteile (CFK-Formteile) hergestellt werden. Insbesondere handelt es sich um flächige Faserverbund-Kunststoffbauteile, wie bspw. flächige Karosseriebauteile für Kraftfahrzeuge.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass in der dem Dichtkörper gegenüberliegenden Schließfläche, zumindest abschnittsweise, eine Dichtnut angeordnet ist, in die der Dichtkörper elastisch eingreifen kann. Der elastische Eingriff des Dichtkörpers in die Dichtnut erfolgt insbesondere derart, dass sich der Dichtkörper beim Schließen des Werkzeugs zunächst elastisch verformt und dann bei Erreichen der Schließendlage, sobald sich der Dichtkörper und die Dichtnut in einer gegenüberliegenden Position befinden, aufgrund elastischer Rückstellkräfte in die Dichtnut einfedert und sich hierbei formschlüssig in die Dichtnut einlegt. Aktive Stell- und Betätigungsmittel sind für diesen Eingriff nicht erforderlich. Beim Öffnen des Werkzeugs wird der Dichtkörper durch elastisches Verformen wieder aus der Dichtnut herausgezogen und außer Eingriff gebracht. Die Vorgänge sind reversibel und unterliegen nur einem geringen Verschleiß.
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Bevorzugt ist die Dichtnut zumindest abschnittsweise mit einer Eingleit- und Ausgleitschräge für den Dichtkörper ausgebildet. Innerhalb der Dichtnut kann, zumindest abschnittsweise, wenigstens ein austauschbares Abstimmelement angeordnet sein, durch dessen Austausch die zwischen dem Dichtkörper und der Dichtnut wirksamen Dichtkräfte gezielt angepasst bzw. eingestellt werden können.
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Bevorzugter Weise ist der Dichtkörper des erfindungsgemäßen Werkzeugs aus einem Blechmaterial, vorzugsweise aus einem Stahlblech und insbesondere aus einem Edelfederstahlblech gebildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das verwendete Blechmaterial eine annähernd gleiche Wärmeausdehnung wie das Werkzeugmaterial aufweist, so dass das Werkzeugteil im Bereich seiner Schließfläche und der daran angeordnete Dichtkörper im Wesentlichen eine identische Wärmeausdehnung haben. Das verwendete Blechmaterial kann eine Dicke bzw. Stärke von 0,5 mm bis 1,0 mm aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass das Blechmaterial zu einem Hohlprofil geformt ist, insbesondere derart, dass dieses im Querschnitt des Dichtkörpers zu einer Schlaufe geformt ist. Eine solche Gestaltung ermöglicht unter anderem elastische Eigenschaften des Dichtkörpers. Als Schlaufenform eignen sich unterschiedliche Geometrien; besonders bevorzugt ist jedoch eine im Wesentlichen U-förmige Schlaufengeometrie. Der Dichtkörper kann mit einer Querschnittsgeometrie oder mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien (entlang seines Verlaufs) ausgebildet sein. Der Dichtkörper kann aus einem Blechstück oder aus mehreren Blechstücken gefertigt sein (wobei die Blechstücke aus unterschiedlichen Metallmaterialien gebildet und/oder unterschiedliche Dicke aufweisen können). An den Verbindungsstellen sind die Blechstücke, oder auch die Enden des selben Blechstücks, bevorzugt miteinander verschweißt oder verlötet. Bevorzugt wird der Dichtkörper als vorgefertigtes, insbesondere ring- bzw. schleifenartig ausgebildetes, Bauteil bereitgestellt und auswechselbar an der betreffenden Schließfläche befestigt.
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Der Dichtkörper kann einen dreidimensionalen Verlauf aufweisen, womit vorzugsweise ein komplexer räumlicher Verlauf (in allen drei Raumrichtungen x, y und z), insbesondere auch mit stark gekrümmten Bereichen und/oder kleinen Kurvenradien, gemeint ist. Korrespondierend hierzu kann die Dichtnut ebenfalls einen solchen dreidimensionalen Verlauf aufweisen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei den Werkzeugteilen des erfindungsgemäßen Werkzeugs um ein feststehendes Werkzeugteil und um ein bewegliches bzw. verfahrbares Werkzeugteil handelt, wobei der Dichtkörper an der Schließfläche des verfahrbaren Werkzeugteils angeordnet ist und gegen die korrespondierende Schließfläche des feststehenden Werkzeugteils, die mit einer Dichtnut ausgebildet sein kann, abdichtet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei der Schließfläche des verfahrbaren Werkzeugteils um die innenliegende Schließfläche und bei der Schließfläche des feststehenden Werkzeugteils um die außenliegende Schließfläche handelt. Bei dem verfahrbaren Werkzeugteil handelt es sich insbesondere um ein Werkzeugoberteil bzw. eine obere Werkzeughälfte und bei dem feststehenden Werkzeugteil handelt es sich insbesondere um ein Werkzeugunterteil bzw. eine untere Werkzeughälfte.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen und nicht maßstabsgerechten Figur beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert. Die in der Figur gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer Schnittdarstellung die Abdichtung der Kavität an einem erfindungsgemäßen Werkzeug.
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1 zeigt ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Werkzeug 100 zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen nach dem RTM-Verfahren. Das Werkzeug 100 umfasst ein Werkzeugunterteil 120 und ein hierzu verfahrbares Werkzeugoberteil 110. Das Werkzeugoberteil 110 kann zum Öffnen und Schließen des Werkzeugs 100 entlang der Bewegungsachse L verfahren werden, was durch den Doppelpfeil veranschaulicht ist. Das Werkzeugoberteil 110 und das Werkzeugunterteil 120 sind mit korrespondierenden Formbereichen 111 und 121 ausgebildet, die bei geschlossenem Werkzeug 100 (wie dargestellt) eine Kavität 130 begrenzen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abdichtung der Kavität 130 außerhalb der durch die Formbereiche 111 und 121 gebildeten Kavität 130 erfolgt, wozu die Werkzeugteile 110 und 120 mit umlaufenden bzw. die Formbereiche 111 und 121 umgebenden und als Schließflächen fungierenden Wandungsabschnitten 115 und 125 ausgebildet sind. Die einander zugewandten Schließflächen 115 und 125 erstrecken sich parallel zur Bewegungsachse L bzw. parallel zur Öffnungs- und Schließrichtung des Werkzeugoberteils 110. Beim Schließen des Werkzeugs 100 durch Absenken des Werkzeugoberteils 110 werden die Schließflächen 115 und 125 in Überdeckung gebracht und können sich entlang der Bewegungsachse L relativ zueinander bewegen.
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Die Abdichtung der Kavität 130 erfolgt zwischen den Schließflächen 115 und 125, wozu an der inneren Schließfläche 115 des Werkzeugoberteils 110 ein Dichtkörper 140 angeordnet ist, der direkt gegen die äußere Schließfläche 125 am Werkzeugunterteil 120 abdichtet. Der Dichtkörper 140 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Bewegungsachse L. Der Dichtkörper 140 ist in geeigneter Weise am Werkzeugoberteil 110 befestigt, bspw. in einer Befestigungsnut eingepresst, eingeklebt und/oder eingeschraubt.
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Der Dichtkörper 140 ist aus einem Blechmaterial gebildet, das zu einem Hohlprofil in Form einer im Querschnitt U-förmigen Schlaufe geformt ist. Die Schlaufenschenkel sind an einem Sockel 145 (oder dergleichen) befestigt. Die Formung zu einer U-förmigen Schlaufe bedingt eine hohe Steifigkeit des Dichtkörpers 140. Dennoch verfügt der Dichtkörper 140, trotz des metallischen Werkstoffs, über elastische Eigenschaften.
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In der dem Dichtkörper 140 gegenüberliegenden äußeren Schließfläche 125 des Werkzeugunterteils 120 ist eine Dichtnut 150 ausgebildet, in die der Dichtkörper 140 formschlüssig eingreifen kann (wie dargestellt). Beim Schließen des Werkzeugs 100 erfolgt der Eingriff des Dichtkörpers 140 in die Dichtnut 150 selbsttätig, sobald sich der zuvor elastisch verformte Dichtkörper 140 und die Dichtnut 150 in einer gegenüberliegenden Position befinden. Hierbei kann der Dichtkörper 140 am Nutgrund (gemäß Darstellung ist dies die rechte Nutwandungsfläche) der Dichtnut 150 gestaucht werden, wodurch sich dieser verstärkt an die Nutseitenflächen (gemäß Darstellung sind dies die obere und die untere Nutwandungsflächen) anlegt.
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Die Dichtnut 150 ist mit einer Eingleit- und Ausgleitschräge 161 für den Dichtkörper 140 ausgebildet. Die Eingleit- und Ausgleitschräge 161 weist bspw. einen Winkel zwischen 5° und 25° zur Horizontalen auf.
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In der Dichtnut 150 ist ein tauschbares Abstimmelement 160 angeordnet, durch dessen Austausch die zwischen dem Dichtkörper 140 und der Dichtnut 150 wirksamen Dichtkräfte gezielt an die lokal gegebenen Anforderungen und Bedingungen angepasst werden können. Am Abstimmelement 160 ist auch die Eingleit- und Ausgleitschräge 161 ausgebildet.
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Der Dichtkörper 140 und die Dichtnut 150 bilden ein sehr effektives Dichtsystem. Bei der Abdichtung eines in der Kavität 130 erzeugten Vakuums legt sich der Dichtkörper 140 aufgrund der sich einstellenden Druckdifferenz an die, der Kavität 130 zugewandten, Nutseitenfläche 151 der Dichtnut 150 an. Während der Druckphase ist aufgrund des schmalen Spalts 170 zwischen den einander zugewandten Schließflächen 115 und 125 auch bei hohen Kavitätsinnendrücke die auf den Dichtkörper 140 in der Öffnungsrichtung wirksame Kraft tendenziell klein, so dass zur Abdichtung nur geringe Dichtkräfte (Anpresskräfte des Dichtkörpers 140 an die Innenwandung der Dichtnut 150) erforderlich sind. Gegebenenfalls kann der Dichtkörper 140 infolge eines hohen Kavitätsinnendrucks elastisch nachgeben, was jedoch dazu führt, dass dieser an einer anderen Stelle verstärkt gegen die Innenwandung der Nut 150 gedrückt wird.
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Der Dichtkörper 140 wird somit nur wenig belastet und nur minimal verformt. Mit vergleichsweise geringen Dichtkräften wird eine sehr gute Abdichtung der Kavität 130 erzielt. Ferner kann das Dichtsystem mit vergleichsweise großen Toleranzen (bspw. +/–0,1 mm) gefertigt werden, wodurch niedrige Fertigungskosten entstehen.
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Aufgrund des nur sehr dünnen Spalts 170 zwischen den Schließflächen 115 und 125, wobei der Spalt 170 bspw. eine Breite von 0,1 mm bis 0,4 mm aufweisen kann, gelangt nur wenig Kunststoff- bzw. Harzmasse bis zum Dichtkörper 140, so dass die Anhaftungen am metallischen Dichtkörper 140 gering ausfallen und sich leicht entfernen lassen. Der metallische Dichtkörper 140 weist zudem eine harte Oberfläche auf, die durch anhaftende Kunststoff- bzw. Harzreste nicht beschädigt werden kann.
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Abweichend zu der in der Figur gezeigten Ausführungsmöglichkeit kann der Dichtkörper 140 auch an der äußeren Schließfläche 125 des Werkzeugunterteils 120 und die Dichtnut 150 an der inneren Schließfläche 115 des Werkzeugoberteils 110 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Werkzeug
- 110
- Werkzeugoberteil
- 111
- Formbereich
- 115
- innere Schließfläche
- 120
- Werkzeugunterteil
- 121
- Formbereich
- 125
- äußere Schließfläche
- 130
- Kavität
- 140
- Dichtkörper (Dichtung)
- 145
- Sockel
- 150
- Dichtnut
- 151
- Nutseitenfläche
- 160
- Abstimmelement
- 161
- Eingleit- und Ausgleitschräge
- 170
- Spalt Bewegungsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077463 A1 [0006]
