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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils nach dem RTM-Verfahren, bei dem ein in einer geschlossenen Kavität angeordnetes textiles Verstärkungsmaterial, insbesondere ein textiles Halbzeug, nach Evakuierung der Kavität von einem unter Druck in die Kavität eingebrachten fließfähigen Kunststoffmaterial durchtränkt wird, mit einer Form mit zwei Formhälften, die relativ zueinander verfahrbar sind und im geschlossenen Zustand die Kavität bilden. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, insbesondere in einem derartigen Werkzeug.
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Beim RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding), auch als Harzinjektionsverfahren bezeichnet, wird ein fließfähiges Kunststoffmaterial (auch Harz genannt) in eine geschlossene Form eingebracht. Die Form wurde zuvor evakuiert bzw. in der Form wurde ein Unterdruck erzeugt, wodurch eine gleichmäßigere Verteilung des Kunststoffmaterials erreicht wird. Dabei ist zwischen den Formhälften eine Dichtung, üblicherweise aus einem elastischen Material, vorgesehen, welche die Kavität beim Entlüften sowie beim Einbringen des Harzes abdichtet. Innerhalb der Dichtung sind ein oder mehrere Entlüftungsbausteine vorgesehen, über die die Kavität vor Einbringen des Kunststoffmaterials entlüftet wird.
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Aus der
DE 10 2011 077 463 A1 ist beispielweise ein Werkzeug für ein RTM-Verfahren bekannt, das eine expandierende Dichtung in Form eines an der ersten Werkzeughälfte vorgesehenen metallischen Dichtkörpers aufweist, der durch ein Druckmedium gegen die zweite Werkzeughälfte gedrückt wird und so eine Abdichtung des Werkzeugs ermöglicht.
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In der nachveröffentlichten
DE 10 2013 215 041 A1 wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formkörpers aus Faserverbundkunststoff beschrieben, die zwei Dichtungselemente aufweist, die einen Produktionshohlraum während des Evakuierens bzw. während des Einbringens des Flüssigharzes abdichten. Dabei wird sowohl beim Evakuieren als auch nach dem Einbringen des Harzes die Form noch weiter geschlossen.
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Die ebenfalls nachveröffentlichte
DE 10 2012 110 354 A1 beschreibt ein Formwerkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, das ebenfalls zwei Dichtungen aufweist, wobei hier die Kavität sowohl beim Evakuieren als auch beim Einbringen des Harzes durch dieselbe Dichtung abgedichtet wird. Die zweite Dichtung dient dazu, das Vakuum im Werkzeug auch beim Einbringen des Harzes zu halten.
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Gemäß der
JP 2006 341 536 A , die auf ein Verfahren sowie eine zweiteilige Werkzeugform zum Spritzgießen eines Kunststoffteils gerichtet ist, sind zwei Dichtungselemente vorgesehen, die eine zwischen den Formhälften angeordnete Kavität während des Evakuierens bzw. während des Einbringens des Flüssigharzes abdichten.
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Nachteilig bei bekannten Werkzeugen ist die oftmals nicht optimale Evakuierung der Kavität, wenn das Verstärkungsmaterial, das meist in Form eines sogenannten Preforms vorliegt, an einen Entlüftungsbaustein angesaugt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein dahingehend verbessertes Werkzeug bzw. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist hierzu bei einem Werkzeug der eingangs genannten Art an der Form eine erste Dichtung vorgesehen, die die Kavität und zumindest einen sich an die Kavität unmittelbar anschließenden Entlüftungsraum bei der Evakuierung abdichtet, und ferner ist an der Form eine zweite Dichtung vorgesehen, die räumlich getrennt von der ersten Dichtung ausgebildet ist, zwischen dem zumindest einen Entlüftungsraum und der Kavität liegt und Entlüftungsraum und Kavität beim Einbringen des fließfähigen Kunststoffmaterials trennt und die Kavität abdichtet. Dabei weist die Form eine erste Schließstellung für die Evakuierung auf, in der die beiden Formhälften nicht vollständig aufeinander zu gefahren sind und nur die erste Dichtung abdichtet, und die Form weist eine zweite Schließstellung für das Einbringen des Kunststoffmaterials auf, in der die beiden Formhälften vollständig aufeinander zu gefahren sind und auch die zweite Dichtung abdichtet. Weiterhin ist zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung wenigstens ein Vakuumsensor angeordnet, und es ist eine Steuereinheit vorgesehen, die die Form in Abhängigkeit von einem vom Vakuumsensor erfassten Vakuumniveau in die zweite Schließstellung bringt.
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Anders als bekannte Werkzeuge, die nur eine einzige Dichtung aufweisen, die sowohl für die Abdichtung der Kavität gegenüber der Umgebung beim Entlüften als auch beim Injizieren des flüssigen Kunststoffmaterials verantwortlich ist, hat das erfindungsgemäße Werkzeug zwei Dichtungen, von denen die erste beim Evakuieren bzw. Entlüften und die zweite beim Einbringen des fließfähigen Kunststoffmaterials die Kavität abdichtet. Zwischen den Dichtungen ist ein sogenannter Entlüftungsraum ausgebildet, der bei der Evakuierung zur Kavität hin offen ist, jedoch beim Einbringen des fließfähigen Kunststoffmaterials durch die zweite Dichtung von der Kavität abgetrennt wird. An dieser Stelle sei angemerkt, dass im Sinne der Erfindung unter Evakuierung jegliche Entlüftung der Kavität zur Erzeugung eines Unterdrucks zu verstehen ist.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist eine gleichmäßigere und schnellere Evakuierung bzw. Entlüftung der Kavität möglich, da das Verstärkungsmaterial lediglich in der Kavität, nicht jedoch in dem die Kavität umgebenden Entlüftungsraum angeordnet ist. Dadurch ist die Permeabilität bzw. Durchlässigkeit des Verstärkungsmaterials beim Evakuieren nicht länger relevant, und es wird eine schnelle Evakuierung der gesamten Kavität auf ein hohes Vakuumniveau ermöglicht, unabhängig von der Position von Entlüftungsbausteinen oder Vakuumanschlüssen im Bereich des Entlüftungsraums. Durch die Anordnung des Vakuumsensors zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung ist sichergestellt, dass dieser nicht mit dem Kunststoffmaterial in Kontakt kommt. Daher besteht eine große Variabilität bei der Auswahl des Sensors, da dieser einen geringeren Verschleiß aufweist. Die Steuereinheit, die die Form in Abhängigkeit von einem vom Vakuumsensor erfassten Vakuumniveau in die zweite Schließstellung bringt, ermöglicht dabei eine sichere Prozessführung.
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In der ersten Schließstellung für die Evakuierung bleibt ein Spalt von ca. 15 mm bis 30 mm zwischen den Formhälften, der eine schnelle und homogene Entlüftung ermöglicht, da die Durchlässigkeit des Verstärkungsmaterials bei nicht vollständig geschlossener Form kaum noch relevant ist.
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Auch die zweite Schließstellung für das Einbringen des Kunststoffmaterials, in der die beiden Formhälften vollständig aufeinander zu gefahren sind und auch die zweite Dichtung abdichtet, ist prozesstechnisch einfach zu realisieren.
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Vorzugsweise ist die erste Dichtung von der Kavität aus gesehen außerhalb der Kavität und somit auch außerhalb der zweiten Dichtung angeordnet, die ja die Kavität von dem sie umgebenden Entlüftungsraum trennt. Die erste Dichtung begrenzt also nicht unmittelbar die Kavität, sondern den sich an die Kavität anschließenden Entlüftungsraum.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist im Entlüftungsraum zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung wenigstens ein Entlüftungsbaustein angeordnet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der bzw. die Entlüftungsbausteine beim Einbringen des Kunststoffmaterials in die Kavität nicht mit diesem in Kontakt kommen und verschmutzen, da dann ja die zweite Dichtung geschlossen ist, die den Entlüftungsraum von der Kavität harzdicht abtrennt. Dadurch lassen sich die bei Werkzeugen nach dem Stand der Technik üblichen hohen Reinigungs- und Instandhaltungskosten deutlich senken. Ein weiterer Vorteil der Anordnung im Entlüftungsraum ist die schnellere und homogenere Evakuierung, wodurch ein höheres Vakuumniveau erreichbar ist.
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Eine besonders einfache Ausgestaltung ergibt sich, wenn die zweite Dichtung unmittelbar zwischen den Formhälften angeordnet ist.
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Gemäß einer ersten Ausführungsvariante weist die erste Dichtung einen die Formhälften seitlich an der Trennebene der Formhälften umschließenden, umlaufenden Dichtungsrahmen auf. Dieser Dichtungsrahmen dichtet die Formhälften bzw. den Entlüftungsraum bereits dann ab, wenn beide Formhälften sich in der ersten Schließstellung befinden.
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Alternativ kann die erste Dichtung ein zwischen den Formhälften angeordnetes elastisches Dichtmaterial aufweisen, das eine elastische Stauchung zulässt. Hierbei dichtet das Dichtmaterial bereits den Entlüftungsraum ab, wenn die Formhälften nicht vollständig aufeinander zu gefahren sind. Nach dem Evakuieren wird die Form in die zweite Schließstellung weiter zugefahren, bis die zweite Dichtung abdichtet, wobei das Dichtmaterial der ersten Dichtung elastisch gestaucht wird.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, insbesondere in einem erfindungsgemäßen Werkzeug, mit einer mit Kunststoff zu füllenden Kavität und zumindest einem sich an die Kavität unmittelbar anschließenden Entlüftungsraum, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- a) ein textiles Verstärkungsmaterial, insbesondere ein textiles Halbzeug, wird in eine untere Formhälfte einer Form eingelegt;
- b) die Form wird in eine erste Schließstellung gebracht, indem eine obere Formhälfte und die untere Formhälfte aufeinander zu gefahren werden, wobei das textile Verstärkungsmaterial in einer zwischen den Formhälften gebildeten Kavität liegt, welche zusammen mit dem Entlüftungsraum in der ersten Schließstellung durch eine erste Dichtung abgedichtet wird;
- c) die Kavität wird über den Entlüftungsraum evakuiert;
- d) die Form wird in Abhängigkeit von einem Vakuumniveau, das von einem zwischen der ersten Dichtung und einer zweiten Dichtung angeordneten Vakuumsensor erfasst wird, durch weiteres Zufahren der Formhälften in eine zweite Schließstellung gebracht, in der die Kavität durch die zweite Dichtung abgedichtet wird; und
- e) ein fließfähiges Kunststoffmaterial wird unter Druck in die Kavität eingebracht, um das textile Verstärkungsmaterial zu durchtränken.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, das sich als Weiterbildung aus dem bekannten RTM-Verfahren ergibt, ermöglicht eine schnelle und homogene Entlüftung unabhängig von der Permeabilität des in die Kavität eingelegten Verstärkungsmaterials. Zudem ist durch die Verwendung zweier Dichtungen wirkungsvoll verhindert, dass Kunststoffmaterial in den Entlüftungsraum gelangt und diesen verunreinigt. Des Weiteren gelten alle mit Bezug auf das erfindungsgemäße Werkzeug genannten Merkmale und Vorteile auch beim erfindungsgemäßen Verfahren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung dreier bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
- - 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- - 2 eine Schnittansicht eines Werkzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, in dem sich ebenfalls das erfindungsgemäße Verfahren durchführen lässt; und
- - 3 eine Teilschnittansicht eines Werkzeugs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die eine Variante der zweiten Ausführungsform darstellt und sich ebenfalls zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet.
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1 zeigt ein Werkzeug 10 zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils nach dem RTM-Verfahren, das eine Form 12 mit einer oberen Formhälfte 14 und einer unteren Formhälfte 16 aufweist. Die Formhälften 14, 16 sind relativ zueinander verfahrbar und begrenzen im geschlossenen Zustand eine Kavität 18.
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Zur Abdichtung der Kavität 18 gegenüber der Umgebungsluft ist eine erste Dichtung 20 vorgesehen, die bei der Ausführungsform gemäß 1 einen die Formhälften 14, 16 seitlich an der Trennebene T der Formhälften umschließenden, umlaufenden Dichtungsrahmen 22 aufweist.
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Das Werkzeug 10 weist ferner eine zweite Dichtung 24 auf, die unmittelbar zwischen den Formhälften 14, 16 angeordnet und räumlich getrennt von der ersten Dichtung 20 ausgebildet ist. Zwischen der ersten Dichtung 20 und der zweiten Dichtung 24 ist ein Entlüftungsraum 26 gebildet, der in der in 1 gezeigten ersten Schließstellung der Formhälften 14, 16 unmittelbar an die Kavität 18 anschließt.
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Im Entlüftungsraum 26 sind mehrere Entlüftungsbausteine 28 sowie ein Vakuumsensor 30 angeordnet, der mit einer Steuereinheit 32 gekoppelt ist. Die Entlüftungsbausteine 28 sind über einen Vakuumschlauch 34 mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe verbunden.
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Zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils wird nun zunächst ein textiles Verstärkungsmaterial, insbesondere ein textiles Halbzeug, in die untere Formhälfte 16 eingelegt. Anschließend wird die Form 12 in eine erste Schließstellung (siehe 1) gebracht, indem die obere Formhälfte 14 und die untere Formhälfte 16 aufeinander zu gefahren werden, wobei zwischen den Formhälften 14, 16 ein Spalt S von etwa 15 bis 30 mm bleibt. Das textile Verstärkungsmaterial liegt in der Kavität 18, die in der ersten Schließstellung zusammen mit dem Entlüftungsraum 26 durch die erste Dichtung 20 abgedichtet wird. Nun wird die Kavität 18 über den Entlüftungsraum 26 evakuiert bzw. es wird ein Unterdruck erzeugt, indem Luft über die Entlüftungsbausteine 28 durch den Vakuumschlauch 34 abgesaugt wird.
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Während des Entlüftens wird mithilfe des Vakuumsensors 30 in der Steuereinheit 32 überprüft, ob ein vorgegebenes, einstellbares Vakuumniveau bereits erreicht ist. Ist dies der Fall, so wird eine Freigabe für ein weiteres Zufahren der beiden Formhälften 14, 16 erteilt und so die Form 12 in eine zweite Schließstellung gebracht (nicht gezeigt), in der die zweite Dichtung 24 harzdicht schließt und die Kavität 18 vom Entlüftungsraum 26 abdichtet. Neben der Erreichung wird auch die Einhaltung des vorgegebenen Vakuumniveaus von dem zwischen den Dichtungen 20, 24 angeordneten Vakuumsensor 30 überwacht.
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Befindet sich die Form 12 in der zweiten Schließstellung, wird ein fließfähiges Kunststoffmaterial unter Druck in die Kavität 18 injiziert und durchtränkt das textile Verstärkungsmaterial. Dabei dichtet die zweite Dichtung 24 die Kavität 18 harzdicht ab und verhindert so, dass Kunststoffmaterial an die Entlüftungsbausteine 28 und den Vakuumsensor 30 gelangt. Dadurch wird der Aufwand für die Reinigung und Instandhaltung des Werkzeugs 10 deutlich reduziert.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Werkzeugs 10, wobei im Folgenden gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen. Bei dieser Ausführung ist neben der zweiten Dichtung 24 auch die erste Dichtung 20 zwischen den Formhälften 14, 16 angeordnet, und zwar von der Kavität 18 aus gesehen außerhalb der zweiten Dichtung 24.
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Der Entlüftungsraum 26 ist wiederum zwischen den beiden Dichtungen 20, 24 ausgebildet, und auch hier sind Entlüftungsbausteine 28 und ein Vakuumsensor 30 im Entlüftungsraum 26 zwischen den Dichtungen 20, 24 angeordnet. In 2 ist, analog zur 1, die erste Schließstellung zum Evakuieren der Form 12 gezeigt; Die zweite Schließstellung wird auch hier durch weiteres Zufahren der Formhälften 14, 16 erreicht, bis die zweite Dichtung 24 schließt. Um dies zu ermöglichen, weist die erste Dichtung 20 ein elastisches Dichtmaterial 36 auf, das eine elastische Stauchung zulässt.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsvariante, wobei auch hier, ähnlich wie bei 2, beide Dichtungen 20, 24 zwischen den Formhälften 14, 16 im Inneren der Form 12 liegen. Wieder weist die erste Dichtung 20 ein elastisches Dichtmaterial 36 auf, das zwischen den Formhälften 14, 16 angeordnet ist und eine elastische Stauchung zulässt, um die Formhälften 14, 16 von der ersten in die zweite Schließstellung bewegen zu können.
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Das erfindungsgemäße Werkzeug vermeidet die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, nämlich die Gefahr der Verschmutzung von Entlüftungsbausteinen mit Kunststoffmaterial und die damit verbundenen hohen Reinigungs- bzw. Instandhaltungskosten. Auch ermöglicht das erfindungsgemäße Werkzeug eine optimale Evakuierung der Kavität beim Entlüften vor der Kunststoffinjektion, da beispielsweise ein Ansaugen des Verstärkungsmaterials an einen Entlüftungsbaustein weitgehend vermieden wird. Auch sind kürzere Entlüftungszeiten möglich, da die Permeabilität des Verstärkungsmaterials beim Entlüften aufgrund des Entlüftungsraums nicht relevant ist. Weiterhin müssen keine Schaltzeiten der Entlüftungsbausteine bei der Abmusterung des Werkzeugs ermittelt werden, wodurch ein schnelleres und konstanteres Einfahren des Werkzeugs möglich ist.
