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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Bearbeiten eines Faserverbundbauteils sowie ein Verfahren zum Bearbeiten eines Faserverbundbauteils.
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Faserverbundbauteile werden mittels verschiedener bekannter Verfahren, wie beispielsweise dem sogenannten Nasspressen oder Prepreg-Pressen sowie unter Verwendung des sogenannten Resin-Transfer Moulding (kurz RTM-) Verfahren hergestellt. Hierbei erfolgt eine Verarbeitung der eingesetzten Matrix zur Imprägnierung der verwendeten Fasern unter einer definierten Temperatur, die in der Regel über einer sogenannten Glasübergangstemperatur Tg liegt, welche in Abhängigkeit von der eingesetzten Matrix meist mehr als 100°C beträgt. Die Glasübergangstemperatur Tg definiert eine Grenztemperatur der Matrix, bei deren Überschreitung eine Umwandlung aus einem festen Zustand in einen zähflexiblen Zustand erfolgt.
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Um einen thermischen Verzug der erzeugten Faserverbundbauteile nach der Entnahme aus einem formgebenden Werkzeug zu verhindern, müssen die Faserverbundbauteile kontrolliert abgekühlt werden.
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Hierzu werden die Faserverbundbauteile in zunächst heißem Zustand aus dem formgebenden Werkzeug entnommen und in einem zusätzlichen, temperierten Abkühlwerkzeug definiert abgekühlt und dabei maßerhaltend kalibriert. Dies bedeutet vereinfacht dargestellt, dass das Abkühlwerkzeug (auch als Kalibrierungswerkzeug bezeichnet) die Beibehaltung der gewünschten Bauteilform während des Abkühlens sicherstellt und somit einen thermischen Verzug verhindert. Nach erfolgtem Abkühlen werden die Faserverbundbauteile zusätzlich durch Wasserstrahlschneiden oder Fräsbeschnitt in die gewünschte äußere Form gebracht.
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Im Rahmen des nachträglichen Beschneidens der abgekühlten Faserverbundbauteile treten üblicherweise Delaminationen im Bereich der geschnittenen Ränder auf, indem sich zumindest lokal eine Anhaftung der Matrix von den Fasern aufgrund vergleichsweise spröder Materialeigenschaften der festen Matrix abtrennt und sich somit der Faser-Matrix-Verbund auflöst, wodurch eine lokale Belastungsfähigkeit deutlich verringert wird. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass sich die Delaminationen zusätzlich aus den Randbereichen über das Bauteil ausbreiten.
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Des Weiteren erfordert das bekannte Verfahren für jeden der genannten einzelnen Arbeitsschritte ein separates Werkzeug, wodurch eine hohe Anzahl von Werkzeugen, aber auch eine entsprechend hohe Verarbeitungs- und Transportzeit erforderlich ist.
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Aus der
DE 10 2011 012 499 A1 ist beispielsweise eine kombinierte Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundwerkstücks bekannt. Dieses umfasst zusätzlich eine Beschneideeinrichtung, mit der bereits beim Schließen der Vorrichtung überstehende Ränder des Faserverbundwerkstücks abschneidbar sind. Dennoch kann eine Delamination von gepressten Faserverbundbauteilen nicht wirkungsvoll verhindert werden.
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Aus der
DE 10 2011 012 500 A1 ist eine weitere Vorrichtung zum Herstellen von Faserverbundbauteilen bekannt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache und schnelle Bearbeitung von Faserverbundbauteilen bereitzustellen, die insbesondere eine Delamination bei einem Beschneiden verhindert oder deren Umfang zumindest reduziert.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren gemäß Patentanspruch 5.
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Demnach wird ein Formwerkzeug , insbesondere ein Kalibrierungswerkzeug, zum Bearbeiten eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, mit mindestens zwei zum wahlweisen Öffnen oder Schließen des Formwerkzeugs relativ zueinander bewegbaren Werkzeugteilen, wobei die Werkzeugteile in einem geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs eine Kavität zur Aufnahme des Faserverbundbauteils definieren. Das Formwerkzeug umfasst zusätzlich eine Beschneideeinrichtung, um das Faserverbundbauteil entlang einer definierten Schneidlinie der Beschneideeinrichtung zu beschneiden.
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Außerdem umfasst die Beschneideeinrichtung eine Klemmvorrichtung zum plastischen lokalen Komprimieren des Faserverbundbauteils in einem Bereich der Schneidlinie. Die Klemmvorrichtung ist in mindestens ein Werkzeugteil integriert, indem die Klemmvorrichtung in dem Bereich der Schneidlinie auf einer das Faserverbundbauteil beaufschlagenden Oberfläche des jeweiligen Werkzeugteils angeordnet und einstückig mit dieser ausgebildet ist.
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Es wird also ein Formwerkzeug bereitgestellt, das aus mehreren Werkzeugteilen besteht, wie beispielsweise ein Kalibrierwerkzeug zum maßerhaltenden Abkühlen bzw. Kalibrieren mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug. Die Werkzeugteile bilden gemeinsam in einem geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs die Kavität, in welcher das Faserverbundbauteil angeordnet werden kann, um dieses zu bearbeiten, im Falle eines Kalibrierwerkzeugs zu kalibrieren. Zusätzlich zu dieser Funktion ermöglicht das Formwerkzeug mittels der Beschneideeinrichtung das Faserverbundbauteil in dem Formwerkzeug zu beschneiden, so dass auf ein separates und zeitaufwendiges nachgeschaltetes Umsetzen und Beschneiden in einem zusätzlichen Werkzeug verzichtet werden kann.
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Vorzugsweise ist die Beschneideeinrichtung derart ausgestaltet, dass das Faserverbundbauteil während oder nach Schließen des Formwerkzeugs beschnitten wird.
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Der Schritt des Komprimierens und der Schritt des Beschneidens können also erfolgen, während das Formwerkzeug aus einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand überführt wird. Alternativ kann das Komprimieren bereits während des Schließvorgangs erfolgen und das eigentliche Beschneiden nachfolgend im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs durchgeführt werden.
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In jedem Fall ermöglicht das lokale Komprimieren des Faserverbundbauteils, dass die Matrix und die enthaltenen Fasern des Faserverbundbauteils in dem zu schneidenden Bereich, also im Bereich der Schneidlinie, aufgrund des Komprimierens derart durch Klemmung fixiert werden, dass eine Delamination gegenüber einem Schneidvorgang in nicht komprimiertem Zustand deutlich reduziert werden kann. Die Beschneideeinrichtung kann beispielsweise zum mechanischen Stanz- oder Scherschneiden ausgebildet sein und hierzu entsprechende Schneidmesser umfassen.
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Wie beschrieben, ist die Klemmvorrichtung erfindungsgemäß zum plastischen lokalen Komprimieren des Faserverbundbauteils ausgebildet. Hierzu kann die Klemmvorrichtung insbesondere zum lokalen Prägen des Faserverbundbauteils ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass die Matrix derart stark komprimiert wird, dass sich diese plastisch verformt und eine Dicke des Faserverbundbauteils in diesem Bereich reduziert wird. Dies kann zum Beispiel mittels einer entsprechenden geometrischen Ausgestaltung der Klemmvorrichtung mit entsprechend dimensionierter Einpresstiefe erreicht werden.
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Eine plastische Verformung lässt sich unter anderem dadurch erreichen, dass das Faserverbundbauteil vollständig oder zumindest im Bereich der Schnittkante eine Temperatur oberhalb einer sogenannten Glasübergangstemperatur Tg aufweist. Bei üblicherweise eingesetzten Matrixsystemen liegt die Glasübergangstemperatur Tg zwischen 100°C und 150°C, insbesondere zwischen 100°C und 120°C. In diesem Zustand ist die Matrix ausreichend weich bzw. zäh und kann daher leicht plastisch komprimiert und präzise geschnitten werden. Eine Auflösung des Matrix-Faserverbunds durch Delamination oder Sprödbruch wird somit wirkungsvoll verhindert.
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Des Weiteren ist die Klemmvorrichtung in mindestens eines der Werkzeugteile integriert. Die Klemmvorrichtung ist in dem Bereich der Schneidlinie auf einer das Faserverbundbauteil beaufschlagenden Oberfläche des jeweiligen Werkzeugteils angeordnet und mit dieser einstückig ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Klemmvorrichtung als Niederhalter wirkt und vorzugsweise nahe bzw. unmittelbar benachbart zu der Schneidlinie die Kompression des Faserverbundbauteils vornimmt, so dass ein Beschnitt möglichst in dem lokal komprimierten Bereich des Faserverbundbauteils erfolgt und somit eine Delamination sicher verhindert werden kann.
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Insbesondere kann die Klemmvorrichtung rampenförmig mit einer in Richtung der Schneidlinie zunehmenden Dicke, oder stufenförmig ausgebildet sein. Eine derart geformte Klemmvorrichtung lässt sich besonders einfach in eines der Werkzeugteile integrieren, indem die Klemmvorrichtung auf der bereits beschriebenen Oberfläche des entsprechenden Werkzeugteils angeordnet und mit dieser sogar einstückig ausgebildet ist. Beispielhafte Ausführungsformen hierzu sind in der Figur beschrieben.
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Des Weiteren kann die Klemmvorrichtung umlaufend um einen Werkstückbereich des Formwerkzeugs angeordnet und/oder an eine Bauteilkontur des Faserverbundbauteils angepasst sein. Dies bietet die Möglichkeit, in einem einzigen Schritt und einem einzigen Werkzeug das komplette Faserverbundbauteil rundum zu beschneiden und auf diese Weise eine entsprechende Bearbeitung zu vereinfachen und zu beschleunigen. Auf einen teuren Wasserstrahl- oder Fräsbeschnitt kann verzichtet werden.
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Als Werkstückbereich ist ein das spätere Faserverbundbauteil abbildender Teil der Kavität zu verstehen, wobei die zu entfernenden Randbereiche hiervon nicht eingeschlossen sind.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines Faserverbundbauteils mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
- - Erzeugen eines Faserverbundbauteils,
- - Einlegen des Faserverbundbauteils in ein Formwerkzeug,
- - Schließen des Formwerkzeugs und
- - Beschneiden des eingelegten Faserverbundbauteils in dem Formwerkzeug,
wobei der Schritt des Schließens des Formwerkzeugs ein plastisches lokales Komprimieren des Faserverbundbauteils in einem Bereich einer Schneidlinie des Formwerkzeugs umfasst.
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Zum Beispiel ist das Formwerkzeug hierzu gemäß der gegebenen Beschreibung ausgestaltet.
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Wie bereits dargestellt, können der Schritt des Komprimierens und des Beschneidens also erfolgen, während das Formwerkzeug aus einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand überführt wird. Alternativ kann das Komprimieren bereits während des Schließvorgangs erfolgen und das eigentliche Beschneiden nachfolgend im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs durchgeführt werden.
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Das lokale Komprimieren kann ein lokales Reduzieren einer Dicke des Faserverbundbauteils um 1% bis 10%, bevorzugt um 3% bis 6%, gegenüber einer nicht lokal komprimierten Dicke des Faserverbundbauteils umfassen. Eine derartige Komprimierung hat sich als ausreichend stark erwiesen, um eine Delamination wirkungsvoll zu vermeiden.
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Vorzugsweise beträgt eine Breite eines entsprechend komprimierten Bereichs zwischen 1cm und 10cm, vorzugsweise zwischen 2cm und 5cm. Eine im Wesentlichen entsprechende Breite und eine geeignete Höhe sind daher für die Klemmvorrichtung vorzusehen.
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Wie bereits beschrieben, kann der Schritt des Beschneidens beispielsweise in warmem Zustand des Faserverbundbauteils, insbesondere bei einer Temperatur oberhalb der für die verwendete Matrix stoffspezifischen Glasübergangstemperatur Tg durchgeführt werden. Beispielsweise erfolgt der Schritt des Beschneidens daher bei einer Temperatur des Faserverbundbauteils (zumindest in dem Bereich der Schneidlinie) von mindestens 100°C bis 150°C, vorzugsweise einer Temperatur von 100°C bis 120°C.
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Außerdem kann der Schritt des Erzeugens des Faserverbundbauteils insbesondere mittels Nasspressen, Prepreg-Pressen oder unter Anwendung des Resin-Transfer-Moulding (RTM-) Verfahrens erfolgen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert. Diese zeigt zwei lediglich schematisch dargestellte Ausführungsformen eines Formwerkzeugs 10 mit jeweils zwei zum wahlweisen Öffnen oder Schließen des Formwerkzeugs 10 relativ zueinander bewegbaren Werkzeugteilen 11,12, wobei die Werkzeugteile 11,12 in einem geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs (dargestellt ist ein nahezu geschlossener Zustand) eine Kavität zur Aufnahme eines Faserverbundbauteils 20 definieren.
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Das Formwerkzeug 10 umfasst in jeder der beiden Ausführungsformen jeweils eine Beschneideeinrichtung 30, 40, um das Faserverbundbauteil 20 entlang einer Schneidlinie 31,41 der Beschneideeinrichtung 30,40 zu beschneiden. Die jeweilige Beschneideeinrichtung 30,40 umfasst ein Schneidmesser 32,42 sowie eine Klemmvorrichtung 33,43 zum lokalen Komprimieren des Faserverbundbauteils in einem Bereich der Schneidlinie 31,41, also unmittelbar benachbart zu der Schneidlinie 31,41.
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Die jeweilige Klemmvorrichtung 33,43 ist aufgrund ihrer geometrischen Anordnung und Ausgestaltung zum plastischen lokalen Komprimieren des Faserverbundbauteils 20 durch lokales Prägen ausgebildet und wird beim Schließen des Formwerkzeugs (Pfeil A) in eine Matrix des Faserverbundbauteils 20 eingepresst. Breite und Höhe sind gemäß der gewünschten Einpresstiefe und -breite zu dimensionieren.
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Die jeweilige Klemmvorrichtung 33,43 ist in beiden Ausführungsformen jeweils in das obere Werkzeugteil 11 integriert, indem es in dem Bereich der jeweiligen Schneidlinie 31,41 auf einer das Faserverbundbauteil 20 im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs 10 beaufschlagenden Oberfläche des oberen Werkzeugteils 11 angeordnet und einstückig mit dieser ausgebildet ist. Es versteht sich, dass die Klemmvorrichtung 33,43 ebenso dem unteren Werkzeugteil 12 zugeordnet sein kann.
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Lediglich beispielsweise ist die jeweilige Klemmvorrichtung 33,43 in den beiden geometrisch unterschiedlichen Varianten dargestellt. In einer ersten Variante (rechte Ausführungsform) ist die Klemmvorrichtung 43 rampenförmig ausgebildet, wobei die Rampenform in Richtung der Schneidlinie 41 in ihrer Dicke zunehmend ausgeführt ist. Als zweite Variante (linke Ausführungsform) ist die Klemmvorrichtung 33 stufenförmig ausgebildet.
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Es versteht sich, dass beide Klemmvorrichtungen 33,43 für dasselbe Formwerkzeug 10 vorzugsweise in identischer Ausgestaltung zueinander ausgeführt sind. Ebenso kann eine andere gleichwirkende Geometrie der Klemmvorrichtung vorgesehen werden.
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Vorzugsweise können die Klemmvorrichtungen 33,43 eine gemeinsame Klemmvorrichtung bilden, die umlaufend um einen Werkstückbereich des Formwerkzeugs angeordnet ist, und/oder alternativ oder zusätzlich an eine Bauteilkontur des Faserverbundbauteils angepasst sein. Es besteht alternativ jedoch auch die Möglichkeit anstelle einer umlaufenden Beschneideeinrichtung an einzelnen Stellen eine oder mehrere lokale Beschneideeinrichtungen vorzusehen. Diese können wiederum eigenständig oder gemeinsam betätigbar ausgestaltet sein.
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Das Faserverbundbauteil 20 kann beispielsweise bearbeitet werden, indem das Faserverbundbauteil 20 zur Bearbeitung in das Formwerkzeug 10 eingelegt wird. Anschließend erfolgt ein Schließen des Formwerkzeugs 10 und ein Beschneiden des eingelegten Faserverbundbauteils 20, wobei der Schritt des Schließens des Formwerkzeugs 10 ein lokales Komprimieren des Faserverbundbauteils in einem Bereich der Schneidlinie 31,41 des Formwerkzeugs 10 umfasst. In den dargestellten Ausführungsformen sind die Schneidmesser 32,42 unabhängig von der Werkzeughälfte 11 betätigbar, so dass zunächst ein Schließen des Formwerkzeugs 10 und ein damit verbundenes lokales Komprimieren des Faserverbundbauteils 20 mittels der Klemmvorrichtungen 33,43 erfolgt. Es ist jedoch ebenso möglich, die Schneidmesser 32,42 derart auszugestalten, dass bereits durch Schließen des Werkzeugteils 11 das Faserverbundbauteil 20 beschnitten wird.
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Der Schritt des Beschneidens erfolgt in jedem Fall vorzugsweise bei einer Temperatur des Faserverbundbauteils oberhalb oder gleich der Glasübergangstemperatur Tg einer eingesetzten Matrix, also beispielsweise zwischen 100°C bis 150°C, vorzugsweise zwischen 100°C bis 120°C.
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Zusätzlich kann die Beschneideeinrichtung 30,40 einen Gegenhalter 34, 44 umfassen, der mit dem jeweiligen Schneidmesser 32,42 für einen möglichst exakten Beschnitt sorgt, indem der Gegenhalter einen abzutrennenden Abschnitt des Faserverbundbauteils 20 während des Beschneidens stützt bzw. einer Bewegung des Schneidmessers 32,42 entgegenwirkt.
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Vorzugsweise umfasst das lokale Komprimieren ein lokales Reduzieren einer Dicke des Faserverbundbauteils 20 um 1% bis 10%, bevorzugt um 3% bis 6%, (reduzierte Dicke D2) gegenüber einer nicht lokal komprimierten Dicke D1 des Faserverbundbauteils 20.
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Das Faserverbundbauteil 20 selbst kann beispielsweise mittels des bekannten Nasspresses, Prepreg-Pressen oder unter Anwendung des Resin-Transfer-Moulding (RTM-) Verfahrens bereitgestellt werden.
