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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbundwerkstoffteil-Bildungstechniken.
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HINTERGRUND
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Verbundwerkstoffmaterialien werden typischerweise durch Einbetten eines hoch zugfesten Fasermaterials innerhalb einer Epoxid/Harz-Matrix gebildet, die dann verfestigt oder polymerisiert wird, um den Verbundwerkstoff zu erzeugen. Ein Zwischenbildungsschritt für die Enderzeugung des Verbundwerkstoffmaterials beinhaltet häufig die Erzeugung eines Prepreg-Verbundwerkstoffteils. Prepreg ist ein Ausdruck für „vorimprägnierte” Verbundwerkstofffasern, wobei ein Material wie z. B. ein Epoxid bereits vorhanden ist. Diese nehmen üblicherweise eine Gewebeform an oder sind einseitig gerichtet. Die Prepreg enthält bereits eine Menge des Matrixmaterials, das verwendet wird, um die Fasern aneinander zu binden. Das Harz ist jedoch nur teilweise ausgehärtet, um eine einfache Handhabung zu gestatten.
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Ein Kohlefaser-Verbundwerkstoff ist ein Beispiel für ein Verbundwerkstoffmaterial, das in Fertigungsanwendungen verwendet wird. Er wird aufgrund seiner hohen Festigkeits- und seiner Leichtgewichtigen Eigenschaften bevorzugt. Typische Kohlefaserteil-Bildungstechniken umfassen das Bilden eines Rohteils in einem anfänglichen Schritt und das maschinelle Arbeiten von notwendigen Merkmalen in das Rohteil (durch Materialentfernung) in einem nachfolgenden Schritt. Beispiele für nachfolgende maschinelle Bearbeitung können das Bohren von Löchern, das Glätten von Oberflächen und das Fräsen von Vertiefungen (z. B. zwischen Versteifungsrippen) umfassen. Diese maschinellen Bearbeitungsverfahren können jedoch integrierte Fasern durchtrennen und die Unversehrtheit und/oder Festigkeit des fertigen Teils beeinträchtigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren zum Bilden eines Loches in einer Verbundwerkstoffplatte umfasst, dass eine erste Faserlage bzw. -bahn auf einem Verlegetisch positioniert wird, wobei der Verlegetisch ein Formwerkzeug aufweist, das sich von einem Abschnitt des Tisches nach außen erstreckt, und wobei die Faserbahn eine Vielzahl von Fasern umfasst, die entlang einer ersten gemeinsamen Richtung orientiert sind. Das Verfahren umfasst weiter, dass das Formwerkzeug durch die erste Faserbahn hindurch ausgefahren wird, sodass eine Untergruppe der Vielzahl von Fasern um das Formwerkzeug herum verdrängt wird: ein Harz auf die Bahn aus Fasern aufgebracht wird; das Harz vorgehärtet wird, um ein Prepreg-Teil zu bilden, welches ein Loch um das Formwerkzeug herum definiert; und das Prepreg-Teil von dem Verlegetisch entfernt wird. In einer Ausgestaltung können die Fasern Kohlefasern sein.
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Außerdem kann eine zweite Faserbahn auf dem Verlegetisch positioniert werden, bevor das Harz aufgebracht wird, wobei die zweite Faserbahn in ähnlicher Weise eine zweite Vielzahl von Fasern umfassen kann, die entlang einer zweiten gemeinsamen Richtung orientiert sind. Das Formwerkzeug kann durch die zweite Faserbahn hindurch ausgefahren werden, sodass eine Untergruppe der zweiten Vielzahl von Fasern um das Formwerkzeug herum verdrängt wird. In einer Ausgestaltung kann das Verfahren ferner umfassen, dass: das Prepreg-Teil in eine Teileform eingesetzt wird; und das Prepreg-Teil innerhalb der Teileform ausgehärtet wird.
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Das Formwerkzeug kann zumindest einen von einem kegelförmigen Abschnitt und einem pyramidenförmigen Abschnitt umfassen, wobei der zumindest eine von einem kegelförmigen Abschnitt und einem pyramidenförmigen Abschnitt ausgestaltet ist, um die erste Faserbahn zu durchstoßen. Das Formwerkzeug kann fernen einen zylindrischen Abschnitt zwischen dem Verlegetisch und dem zumindest einen von einem kegelförmigen Abschnitt und einem pyramidenförmigen Abschnitt umfassen.
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Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bilden eines Loches in einer Verbundwerkstoffplatte veranschaulicht.
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2 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Verlegetisches, der ein Formwerkzeug aufweist, und einer Faserbahn, die über dem Verlegetisch angeordnet ist.
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3 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Verlegetisches von 2, wobei die Faserbahn auf dem Verlegetisch angeordnet ist.
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4 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Verlegetisches von 3, wobei ein Harz auf die Faserbahn aufgebracht ist.
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5 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines vorimprägnierten Verbundwerkstoffteiles, wie z. B. aus der Anordnung von 4 hergestellt.
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6 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Verlegetisches von 2, wobei eine Vielzahl von Faserbahnen auf dem Verlegetisch angeordnet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um in den verschiedenen Ansichten gleiche oder ähnliche Komponenten zu bezeichnen, illustriert 1 schematisch ein Verfahren 10 zum Bilden eines Loches in einer Verbundwerkstoffplatte. Das Verfahren 10 beginnt bei Schritt 12, wenn eine Faserbahn 30 auf einem Verlegetisch 32 positioniert wird, wie in 2 gezeigt. Die Faserbahn 30 kann aus einer Vielzahl von einzelnen Fasern 34 gebildet sein, die zum Beispiel Glaswollefasern, Kohlefasern, Graphitfasern oder andere geeignete hoch zugfeste Fasermaterialien umfassen können. In einer Ausgestaltung kann jede einzelne Faser eine/n Dicke/Durchmesser von ca. 5–10 μm aufweisen. In anderen Ausgestaltungen können jedoch gleichermaßen Fasern mit größeren oder kleineren Dicken verwendet werden.
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Die Faserbahn 30 kann allgemein eine dünne Gewebebahn auf Faserbasis sein, wobei viele Fasern innerhalb einer einzigen Ebene oder innerhalb von ca. 1–2 mm einer gemeinsamen Ebene orientiert sind. In einer Ausgestaltung kann die Faserbahn eine Vielzahl von Fasern 34 umfassen, die in einer gemeinsamen Richtung 36 in Längsrichtung ausgerichtet sind. Die Faserbahn 30 kann z. B. eine einseitig gerichtete Anordnung von Fasern sein, wobei im Wesentlichen alle der Fasern entlang der gemeinsamen Richtung 36 orientiert sind. Alternativ kann die Faserbahn 30 eine Webstoffbahn sein, wobei eine Vielzahl der Fasern 34 entlang der gemeinsamen Richtung 36 orientiert ist, wenngleich andere Fasern entlang einer anderen Richtung wie z. B. rechtwinkelig zu der gemeinsamen Richtung 36 orientiert sein können.
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Der Verlegetisch 32 kann ein stabiler, ebener Tisch sein, der verwendet werden kann, um ein vorimprägniertes Verbundwerkstoffteil zu bilden, das auch als Prepreg-Teil oder einfach ein Prepreg bezeichnet wird. Der Verlegetisch 32 kann eine vertiefte Ausnehmung 38 in der Rohform eines erwünschten fertigen Verbundwerkstoffteils umfassen. Allgemein gesagt kann das Prepreg-Teil ein „Rohling” sein, der in den nachfolgenden Formpressverfahren zum Bilden eines Teils mit einer komplexeren Geometrie verwendet werden kann. Auf diese Weise können mehrere Prepreg-„Rohlinge” aneinander in eine komplexe Geometrie formgepresst werden, wobei ein abschließender Aushärtungsprozess die Prepregs miteinander in einer Endform verschmelzen kann.
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Der Verlegetisch 32 kann ein Formwerkzeug 40 umfassen, das sich von einem Abschnitt des Tisches 32 innerhalb der vertieften Ausnehmung 38 nach außen erstreckt und das verwendet werden kann, um innerhalb des fertigen Teils integral ein Loch zu bilden. Das Formwerkzeug 40 kann einen kegelförmigen oder pyramidenförmigen Abschnitt 42 und einen zylindrischen Abschnitt 44 umfassen, wobei der zylindrische Abschnitt 44 zwischen dem kegelförmigen oder pyramidenförmigen Abschnitt 42 und dem Tisch 32 angeordnet ist. Das durch das Formwerkzeug 40 erzeugte Loch kann verwendet werden, um die Verbundwerkstoffplatte in einem Endmontageprozess strukturell an einer anderen Komponente anzubringen. In einer Anwendung kann die fertige Verbundwerkstoffplatte z. B. als ein Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug verwendet werden. Während der Fahrzeug-Endmontage kann das Loch, das durch das Formwerkzeug 40 erzeugt wird, verwendet werden, um die Platte an ein Rahmenelement des Fahrzeuges zu nieten oder auf andere Weise daran zu befestigen.
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Erneut Bezug nehmend auf 1 kann, nachdem die Faserbahn 30 in Schritt 12 auf dem Verlegetisch 32 positioniert wurde, das Formwerkzeug 40 in Schritt 14 durch die Faserbahn 30 hindurch ausgefahren werden, sodass eine Untergruppe der Vielzahl von Fasern 34 um das Formwerkzeug 38 herum verdrängt wird. Der kegelförmige/pyramidenförmige Abschnitt 42 des Formwerkzeugs 40 kann einen Punkt an seinem distalen Ende umfassen, der genügend scharf ist, um sich zwischen die einzelnen Fasern zu zwängen, ohne die jeweiligen Fasern absichtlich abzuschneiden oder zu durchtrennen. Wenn das Formwerkzeug 40 durch die Vielzahl von Fasern 34 hindurch ausgefahren wird, kann die allmählich größer werdende Breite des kegelförmigen/pyramidenförmigen Abschnittes 42 die Fasern derart trennen, dass sie um das Werkzeug 40 herum und schließlich dort, wo sich der zylindrische Abschnitt 40 zwischen den getrennten Fasern erstrecken kann, verdrängt werden, wie in 3 gezeigt.
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Nachdem die Faserbahn 30 auf dem Verlegetisch 32 positioniert ist, wobei sich das Formwerkzeug 40 durch die Vielzahl von Fasern 34 hindurch erstreckt, kann in Schritt 16 (1) ein Epoxid/Harz 50 innerhalb der vertieften Ausnehmung 38 auf die Bahn aus Fasern 30 aufgebracht werden. Das Harz 50 kann zwischen die Fasern fließen, wie allgemein in 4 gezeigt, wo es in Schritt 18 teilweise ausgehärtet oder vorgehärtet werden kann, um das Harz um die Fasern herum zu festigen und das Prepreg-Teil zu bilden. In diesem Zustand können die Fasern innerhalb der Harzmatrix suspendiert sein, und die Harzmatrix kann bis zu einem Punkt verfestigt werden, an dem sie bearbeitet werden kann. Der Vorhärtungsschritt kann z. B. das Erwärmen des Harzes/Epoxids auf eine Temperatur umfassen, die niedriger ist als die endgültige Aushärtungstemperatur, wenngleich sie über der Umgebungstemperatur liegt. Zum Beispiel kann bei einem Harz, das bei 300 Grad Celsius endgehärtet werden kann, das Vorhärten stattfinden, indem das Harz auf 100 Grad Celsius und möglicherweise für eine kürzere Zeitspanne erwärmt wird.
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Sobald das Prepreg-Teil hinreichend vorgehärtet ist, um zuzulassen, dass es ohne Verlust der strukturellen Integrität oder ohne weiteres Fließen des Harzes 50, während es sich bei Raumtemperatur befindet, bearbeitet wird, kann es von dem Verlegetisch 32 entfernt werden (Schritt 20). Auf diese Weise kann das Prepreg-Teil 60, wie in 5 gezeigt, ein Loch 62 definieren, das integral innerhalb des Verbundwerkstoffes hergestellt wird. Die Vielzahl von Fasern 34 kann als solche um das Loch herum angeordnet werden, ohne an dem Loch 62 durchtrennt zu werden. Dieses Verfahren zur Fertigung/Teileherstellung steht in starkem Gegensatz zu anderen Herstellungsverfahren, wo Löcher oder andere Oberflächenmerkmale in ein ausgehärtetes Teil geschnitten, gefräst, gebohrt oder auf andere Art maschinell gearbeitet werden. Bei diesen Nachbearbeitungsverfahren werden die Fasern im Allgemeinen durchtrennt, was die strukturelle Integrität des Teils beeinträchtigen kann.
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Nach dem anfänglichen Bilden des Prepreg-Teils 60 in den Schritten 12 bis 20 kann das Prepreg-Teil 60 in einer Endform 70 (Schritt 22), z. B. mit einem oder mehreren anderen Prepreg-Teilen 60, eingesetzt werden, wonach das Sortiment von Prepreg-Teilen durch die Anwendung von Wärme und/oder Temperatur endausgehärtet werden kann (Schritt 24).
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In einer Erweiterung dieser Methodik kann/können vor der Aufbringung des Harzes in Schritt 16 eine oder mehrere zusätzliche Faserbahnen über die ursprünglich gelegte Faserbahn 30 geschichtet werden. Es kann z. B., wie in 6 allgemein illustriert, eine zweite Faserbahn 70 über die erste Faserbahn 30 gelegt werden. Die zweite Faserbahn 70 kann verglichen mit der ersten Faserbahn 30 im Aufbau ähnlich sein, wobei eine Vielzahl von Fasern 72 im Wesentlichen entlang einer zweiten gemeinsamen Richtung 74 orientiert ist. Wenn sie auf den Verlegetisch 32 gelegt ist, kann die zweite Faserbahn 70 derart orientiert sein, dass die zweite gemeinsame Richtung 74 nicht parallel zu der Richtung 36 der Fasern 34 in der ersten Bahn 30 (d. h., der ersten gemeinsamen Richtung 36) steht. Auf diese Weise können die Fasern 72 der zweiten Bahn 70 Festigkeit/Steifigkeit in einer zusätzlichen Ebene bereitstellen. Die erste Faserbahn 30 und die zweite Faserbahn 70 können z. B. derart orientiert sein, dass ihre jeweiligen Fasern rechtwinkelig zueinander stehen. In noch einer anderen Ausgestaltung kann eine Vielzahl von Faserbahnen auf dem Verlegetisch 32 positioniert werden, wobei jede nachfolgende Bahn von der vorherigen um einen vorbestimmten Winkelversatz versetzt ist. Es können z. B. 24 Faserbahnen einzeln positioniert werden, sodass jede Bahn um 15 Grad von der zuvor gelegten Bahn gedreht ist.
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In dem mit Bezug auf 6 beschriebenen Beispiel kann, wenn eine Vielzahl von Bahnen auf dem Verlegetisch 32 positioniert ist, das Formwerkzeug 40 durch jede jeweilige Bahn hindurch ausfahren, sodass die Fasern dieser Bahn um das Werkzeug 40 herum verdrängt werden.
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Die vorliegenden Verfahren sind gleichermaßen sowohl auf duroplastische als auch thermoplastische Verbundwerkstoffmaterialien anwendbar und, sofern nicht spezifisch gegenteilig angeführt, ist nichts von dem hierin Beschriebenen so zu verstehen, dass es das Wesen des Substrats einschränkt.
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Während die besten Arten, die Erfindung auszuführen, im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Schutzumfanges der beiliegenden Ansprüche praktisch umzusetzen. Der gesamte in der obigen Beschreibung enthaltene oder in den beiliegenden Zeichnungen gezeigte Sachverhalt ist als rein illustrativ und nicht als einschränkend auszulegen.
