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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, insbesondere zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffformteilen, nach dem RTM-Verfahren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Dichtanordnung zur Verwendung in einem solchen Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs 10.
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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) handelt, in die Kavität eines 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 der Kavität sind aus dem Stand der Technik verschiedene Dichtanordnungen bekannt. In der Patentschrift
DE 10 2011 101 954 A1 ist eine Dichtanordnung gezeigt und beschrieben, mit der der Trennspalt zwischen einem oberen Werkzeugteil und einem unteren Werkzeugteil im Hinblick auf den Austritt des injizierten Matrixharzes unmittelbar von außen abgedichtet wird.
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Ferner ist in der
DE 39 37 474 C1 eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Reaktionsharzmassen beschrieben, von der als nächstliegendem Stand der Technik ausgegangen wird.
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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 durch ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ferner erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf eine erfindungsgemäße Dichtanordnung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 10. Bevorzugte und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, insbesondere zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffformteilen, nach dem RTM-Verfahren, umfasst:
- - wenigstens ein erstes Werkzeugteil (bspw. ein Werkzeugoberteil) und wenigstens ein zweites Werkzeugteil (bspw. ein Werkzeugunterteil), die zum Öffnen und Schlie-ßen des Werkzeugs relativ zueinander verfahrbar sind und die zur Bildung einer Kavität mit korrespondierenden Formbereichen ausgebildet sind, und
- - eine Dichtanordnung zur Abdichtung der Kavität, mit einem umlaufenden Dichtkörper, der bei geschlossenem Werkzeug eine, insbesondere unmittelbare, äußere Abdichtung der Kavität am Trennspalt bzw. Dichtspalt zwischen den Werkzeugteilen ermöglicht bzw. bewirkt, wobei vorgesehen ist, dass diese Dichtanordnung an einem der Werkzeugteile (bspw. am Werkzeugoberteil) befestigt ist und wenigstens einen beim Schließen des Werkzeugs mit dem anderen Werkzeugteil (bspw. dem Werkzeugunterteil) in Eingriff gelangenden Spannbügel aufweist, mit dem der Dichtkörper von außen gegen den Trennspalt gepresst wird bzw. pressbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug erfolgt die Abdichtung der durch die Formbereiche gebildeten Kavität direkt am Trennspalt zwischen den Werkzeugteilen und somit quasi in deren Trennebene, wobei der Dichtkörper jedoch nicht in Richtung der Bewegungsachse der Werkzeugteile, sondern quer und insbesondere senkrecht hierzu wirkt. 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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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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Der umlaufende Dichtkörper kann einen als umlaufende Spannlasche ausgebildeten Spannbügel aufweisen. Bevorzugt sind jedoch mehrere, insbesondere zueinander beabstandete oder direkt nebeneinanderliegende, Spannbügel vorgesehen, die einen annähernd gleichmäßigen Andruck bzw. ein im Wesentlichen gleichmäßiges Anpressen des Dichtkörpers an den Trennspalt ermöglichen.
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Das dem den Dichtkörper tragende Werkzeugteil gegenüberliegende Werkzeugteil kann wenigstens eine Gleitrampe oder dergleichen aufweisen, auf der das freie und insbesondere federnde Ende des Spannbügels beim Schließen des Werkzeugs abgleiten kann, wodurch die Andrückkraft bzw. Anpresskraft des Dichtkörpers bei zunehmender Annäherung der Werkzeugteile ansteigt. Damit ist die mit dem Dichtkörper erzielte Dichtwirkung abhängig vom Abstand der Werkzeugteile. Je enger der Trennspalt zwischen den Werkzeugteilen ist, umso größer ist auch die Dichtkraft, mit der der Dichtkörper von außen gegen den Trennspalt drückt, wodurch eine äußerst effektive Abdichtung der Kavität erzielt wird, ohne dass aktive Stell- und Betätigungsmittel erforderlich sind. Die erzielte Abdichtung ist zudem unanfällig gegen kleinere Anhaftungen und Verschmutzungen am Dichtkörper oder den korrespondierenden Dichtflächen. Beim Öffnen des Werkzeugs wird die Anpresskraft wieder reduziert, so dass der Dichtkörper sofort entlastet und im Weiteren nicht übermäßig belastet wird. Der eingesetzte Dichtkörper weist somit eine hohe Standzeit auf.
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Der Dichtkörper kann aus einem nicht-metallischen Werkstoff und insbesondere aus einem Elastomermaterial oder dergleichen gebildet sein. Bevorzugt ist der Dichtkörper jedoch aus einem Metallmaterial gebildet. Der metallische Dichtkörper weist einen nur geringen mechanischen Verschleiß auf und hält hohen Temperaturen (bspw. von mehr als 100 °C) stand (mechanische und thermische Stabilität). Zudem lässt sich ein metallischer Dichtkörper einfach reinigen (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 insbesondere elastische Eigenschaften auf, was durch konstruktive Gestaltung erreicht wird, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Bevorzugter Weise ist der metallische Dichtkörper 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 für die Werkzeugteile aufweist, so dass die Werkzeugteile im Bereich ihrer Dichtflächen und der 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 der Dichtkörper aus einem zu einer Schlaufe oder einem Hohlprofil geformten Blechmaterial gebildet 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. Als Hohlprofilform eignen sich ebenfalls unterschiedliche Geometrien, wie bspw. eine ovale oder rechteckige Querschnittsgeometrie. Der Dichtkörper kann mit einer einheitlichen 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.
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Der Dichtkörper kann im Übrigen 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.
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Bevorzugter Weise ist der wenigstens eine zur Dichtanordnung gehörende Spannbügel des erfindungsgemäßen Werkzeugs aus einem geformten Blechmaterial gebildet. Vorzugsweise ist dieser aus einem Stahlblech und insbesondere aus einem Edelfederstahlblech gebildet. Die Dicke bzw. Stärke des Blechmaterials kann in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,0 mm liegen.
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Der Spannbügel kann an seinem dem freien Ende gegenüberliegenden Ende mit einem Befestigungsflansch ausgebildet sein, mit dem die Dichtanordnung auswechselbar am betreffenden Werkzeugteil befestigt und insbesondere angeschraubt werden kann.
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An den Außenseiten bzw. Außenflächen des ersten Werkzeugteils und/oder des zweiten Werkzeugteils können Gegendichtkörper angeordnet sein, gegen die der Dichtkörper der Dichtanordnung unmittelbar pressbar bzw. andrückbar ist. Bevorzugt befinden sich diese Gegendichtkörper in nächster Nähe zum Trennspalt. Mit Hilfe dieser Gegendichtkörper kann die Abdichtung der Kavität verbessert werden, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei den Werkzeugteilen des erfindungsgemäßen Werkzeugs um ein feststehendes Werkzeugunterteil (Untermatrize) und um ein bewegliches bzw. verfahrbares Werkzeugoberteil (Obermatrize) handelt, wobei die Dichtanordnung bevorzugt am verfahrbaren Werkzeugoberteil befestigt ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Dichtanordnung am feststehenden Werkzeugunterteil angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen und nicht maßstabsgerechten Figur beispielhaft und in nicht einschränkender Weise näher erläutert.
- 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 bilden.
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Die Abdichtung der Kavität 130 erfolgt mit einer erfindungsgemäßen Dichtanordnung 200. Die Dichtanordnung 200 weist einen die Kavität 130 umlaufenden metallischen Dichtkörper 210 auf, der bei geschlossenem Werkzeug 100 die Kavität 130 am Trennspalt 131 zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120 und somit quasi in der Werkzeugtrennebene direkt abdichtet. Der Dichtkörper 210 kann auch aus einem nicht-metallischen Werkstoff, wie bspw. einem Elastomermaterial, gebildet sein.
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Hierzu wird der Dichtkörper 210 von außen gegen den Trennspalt 131 gedrückt bzw. gepresst, wobei dieser sowohl gegen eine umlaufende Dichtfläche 113 an der Außenseite des Werkzeugoberteils 110 als auch gegen eine umlaufende Dichtfläche 123 an der Außenseite des Werkzeugunterteils 120 abdichtet. Der Dichtkörper 210 wird hierbei nur minimal verformt und insbesondere nicht zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120 zusammengepresst. Zum Schutz des Dichtkörpers 210 können die Werkzeugaußenkanten am Trennspalt 131 verrundet oder mit einer Fase ausgebildet sein, wie dargestellt.
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Zur Verbesserung der Abdichtung kann an der Dichtfläche 113 des Werkzeugoberteils 110 und/oder an der Dichtfläche 123 des Werkzeugunterteils 120 ein Gegendichtkörper 114 bzw. 124 angeordnet sein. In dem gezeigten Beispiel sind die insbesondere aus einem Elastomermaterial gebildeten Gegendichtkörper 114 und 124 umlaufend ausgebildet und in nutartige Vertiefungen an den Außenseiten bzw. Außenflächen der Werkzeugteile 110 und 120 eingesetzt. Der Dichtkörper 210 der Dichtanordnung 200 wird unmittelbar und gleichzeitig gegen die beiderseitig des Trennspalts 131 verlaufenden Gegendichtkörper 114 und 124 gepresst bzw. gedrückt. Die Gegendichtkörper 114 und 124 ermöglichen unter anderem auch dann eine einwandfreie Abdichtung der Kavität 130, wenn die Dichtflächen 113 und 123 an den Außenseiten der Werkzeugteile 110 und 120 nicht optimal fluchtend zueinander ausgerichtet sind oder falls sonstige Störeinflüsse gegeben sind.
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Der Werkzeugspalt bzw. Trennspalt 131 ist sehr schmal (z. B. 0,1 mm bis 0,4 mm), so dass bereits mit geringen Anpresskräften eine sehr gute Abdichtung der Kavität 130 erreicht wird. Aufgrund dieses engen Trennspalts 131 sind auch nur sehr geringe Anhaftungen von Kunststoff- bzw. Harzmasse (Matrixmaterial) am Dichtkörper 210 möglich, die sich zudem leicht von dem metallischen Dichtkörper 210 entfernen lassen. Die Dichtflächen 113 und 123 können mit verhältnismäßig großer Maßtoleranz (bspw. +/- 0,1 mm) und ohne allzu hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität gefertigt werden, woraus niedrige Fertigungskosten resultieren.
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Der Dichtkörper 210 ist aus einem zu einem Hohlprofil (mit Rechteckquerschnitt) geformten Blechmaterial gebildet und weist dadurch elastische Eigenschaften auf. Bevorzugt handelt es sich um ein rostfreies Edelfederstahlblech. Der umlaufende Dichtkörper 210 kann einstückig aus einem umgeformten Blechstreifen gebildet sein, wobei die sich berührenden Enden miteinander verschweißt oder verlötet sind.
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Die Dichtanordnung 200 weist ferner wenigstens einen Spannbügel (bzw. einen Spannarm oder eine Spannlasche) 220 auf, der aus einem geformten Blechmaterial und insbesondere aus einem Edelfederstahlblech gebildet ist. Die Dichtanordnung 200 kann einen einzelnen umlaufenden Spannbügel 220 oder mehrere, insbesondere in Umfangsrichtung zueinander beabstandete oder gegebenenfalls auch direkt nebeneinanderliegende, Spannbügel 220 aufweisen.
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Der Spannbügel 220 weist einen Befestigungsflansch 221 auf, mit dem die Dichtanordnung 200 auswechselbar am Werkzeugoberteil 110 befestigt ist, bspw. durch Festklemmen, Einstecken und insbesondere durch Anschrauben. Dadurch kann das Auswechseln der Dichtanordnung 200 schnell und ohne längere Werkzeug-Stillstandszeit erfolgen. Ausgehend von diesem Befestigungsflansch 221 geht der Spannbügel 220 in einen annähernd S-förmig geformten Abschnitt über, in dessen oberen, zum Befestigungsflansch 221 benachbarten, Ausbauchung der Dichtkörper 210 aufgenommen und durch Umgreifen formschlüssig gehalten ist, wobei der Dichtkörper 210 optional durch Verschrauben, Verschweißen (siehe Schweißpunkte 230) oder Verlöten am Spannbügel 220 befestigt sein kann. Der Spannbügel 220 weist am Auslauf seines S-förmigen Abschnitts ein freies Ende 222 auf.
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Beim Schließen des Werkzeugs 100 gelangt der Spannbügel 220 bzw. dessen freies Ende 222 in Eingriff mit dem Werkzeugunterteil 120. Am Werkzeugunterteil 120 ist wenigstens eine Gleitrampe 125 ausgebildet, auf der das freie federnde Ende 222 des Spannbügels 220 beim Annähern des Werkzeugoberteils 110 an das Werkzeugunterteil 120 abgleiten kann und hierbei in seitlicher Richtung weggedrückt wird, wodurch der Dichtkörper 210 gegen den Trennspalt 131 bzw. gegen die Dichtflächen 113 und 123 und die daran angeordneten Gegendichtkörper 114 und 124 gedrückt bzw. gepresst wird und die Andruckkraft bzw. Anpresskraft bei zunehmender Annäherung der Werkzeugteile 110 und 120 sukzessive ansteigt.
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Hierdurch wird eine sehr effektive Abdichtung der Kavität 130 erzielt. Ferner wird der Dichtkörper 210 hierdurch beim Öffnen und Schließen des Werkzeugs 100 geschont, wodurch eine hohe Standzeit für den Dichtkörper 210 erzielt wird. Die Gleitrampe 125 kann in den Werkzeuggrundkörper integriert oder durch separate Bauteile aufgebaut sein. Der Rampenabschnitt an der Gleitrampe 125 kann jede geeignete Formgebung aufweisen und bspw. auch bogenförmig ausgebildet sein.
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Die Dichtanordnung 200 kann abweichend zu der in der Figur gezeigten Ausführungsmöglichkeit auch am Werkzeugunterteil 120 angeordnet sein, wobei die Gleitrampe dann am Werkzeugoberteil 110 angeordnet ist. Bevorzugt ist jedoch die gezeigte Anordnung am Werkzeugoberteil 110, da sich hierdurch bei geöffnetem Werkzeug 100 eine ungehinderte Zugänglichkeit zum Werkzeugunterteil 120 ergibt und die Dichtanordnung 200 ferner keinem Fallschmutz (bspw. Flitter) ausgesetzt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Werkzeug
- 110
- Werkzeugoberteil
- 111
- Formbereich
- 113
- Dichtfläche
- 114
- Gegendichtkörper
- 120
- Werkzeugunterteil
- 121
- Formbereich
- 123
- Dichtfläche
- 124
- Gegendichtkörper
- 125
- Gleitrampe
- 130
- Kavität
- 131
- Trennspalt
- 200
- Dichtanordnung
- 210
- Dichtkörper
- 220
- Spannbügel
- 221
- Befestigungsflansch
- 222
- freies Ende
- 230
- Schweißpunkt
- L
- Bewegungsachse
