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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mit den Schritten: Bereitstellen einer ersten Werkzeugschale und einer zweiten Werkzeugschale, die zusammen einen starren Hohlraum als Form für die Kunststoffbauteile bilden, Einbringen eines Faserelements und eines Einlegekerns in die erste Werkzeugschale, Verbinden der ersten und der zweiten Werkzeugschale, so dass die starre Form für die Kunststoffbauteile gebildet wird, Injizieren von Vergussharz in die Form durch einen Injektionskanal und Evakuieren der Form durch einen Unterdruckkanal, so dass in der Form ein Unterdruck gebildet wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mit einer ersten Werkzeugschale und einer zweiten Werkzeugschale, die zusammen einen starren Hohlraum mit einem fest vordefinierten Volumen als Form für die faserverstärkten Kunststoffbauteilen bilden, einem Injektionskanal, der mit dem Hohlraum verbunden ist, um Vergussharz in den Hohlraum zu injizieren, und einem Unterdruckkanal, der mit dem Hohlraum verbunden ist und dazu ausgebildet ist, die Form zu evakuieren und in der Form einen Unterdruck zu erzeugen.
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Derartige faserverstärkte Kunststoffbauteile werden bspw. im Kraftfahrzeugbau als Karosserieteile verwendet, um das Gewicht der Kraftfahrzeuge zu reduzieren.
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Auf dem Gebiet von faserverstärkten Kunststoffbauteilen wie z. B. glasfaserverstärkten Kunststoffbauteilen (GFK) oder kohlefaserverstärkten Kunststoffbauteilen (CFK) ist es allgemein bekannt, Glasfaser- oder Kohlefaserelemente bzw. -matten mit einem Vergussharz zu durchtränken und das Vergussharz zusammen mit den Faserelementen in einer vordefinierten Form auszuhärten, um ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer entsprechenden äußeren Form herzustellen.
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Es ist weiterhin bekannt in den faserverstärkten Kunststoffbauteilen Hohlräume zu erzeugen oder Elemente mit einer geringen Dichte einzubringen, um das Gesamtgewicht des faserverstärkten Kunststoffbauteils insgesamt zu reduzieren.
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Derartige faserverstärkte Kunststoffbauteile können entweder manuell laminiert werden, indem Vergussharz manuell auf die Fasermatten aufgetragen wird und die Bauteile nachträglich in einer Form ausgehärtet werden oder, wie es bspw. aus der
DE 10 2012 000 822 A1 bekannt ist, können die Fasermatten in einem Werkzeug angeordnet werden und nachträglich mit Vergussharz vergossen werden, das in die Kavität injiziert wird, um die Anzahl der Herstellungsschritte zu reduzieren und eine gleichmäßige Verteilung des Vergussharzes zu gewährleisten.
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Bei den bekannten Werkzeugen und Herstellungsverfahren zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen ist es nachteilig, dass die Kunststoffbauteile in mehreren unterschiedlichen und separaten Einzelschritten hergestellt werden und mit den bekannten Herstellungsverfahren und Herstellungswerkzeugen keine faserverstärkten Kunststoffbauteile mit geringem Gewicht und gleichzeitig technisch geringem Aufwand gefertigt werden können.
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Aus der
DE 10 2012 207 950 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, wobei zunächst in einem Hohlraum temporär ein Stützkern mit einer den Innenraum begrenzenden elastischen Hülle positioniert wird, wobei ein Fasermaterial auf einem Basiswerkzeug zur Ausbildung eines Basiselements abgelegt wird, Fasermaterial in einer Negativform drapiert wird, ein Stützkern auf einer Innenfläche des Fasermaterials des Verstärkungsabschnittes in der Negativform angeordnet wird, die mit dem Fasermaterial und dem Stützkern bestückte Negativform auf dem Basiselement positioniert wird, eine Vakuumkammer gebildet wird, die das Basiselement aufnimmt, indem eine Abdeckung mittels einer Vakuumfolie erfolgt, die Vakuumkammer evakuiert wird und anschließend das Fasermaterial ausgehärtet wird, wobei bei Verwendung von trockenem Fasermaterial nach der Evakuierung ein Harz injiziert wird.
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In der Regel wird hierbei bereits ein mit Harz imprägniertes Material verwendet. Sofern anfänglich noch trockenes Fasermaterial verwendet wird, so wird dieses beim Evakuieren mit dem Harz infiltriert bzw. imprägniert. Gegebenenfalls wird das Harz abschnittsweise mit einem Treibmittel aufgeschäumt, oder es wird bereits teilweise aufgeschäumtes Material zugeführt. Hierdurch soll ein Toleranzausgleich ermöglicht werden.
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Ferner ist aus der
DE 10 2014 006 928 A1 ein Werkzeug zur Herstellung eines Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff durch Harzinjektion gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 bekannt, mit einer Kavität und einer Unterdruckleitung, die mit der Kavität in Fluidverbindung ist, sodass in der Kavität über die Fluidverbindung ein Unterdruck erzeugbar ist. Der Unterdruck dient zur Unterstützung der Harzinjektion, die mit Niederdruck erfolgt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen und ein Werkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen bereitzustellen, wodurch mit technisch geringem Aufwand faserverstärkte Kunststoffbauteile mit einem geringen Gewicht hergestellt werden können. Ferner soll ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Werkzeug angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und ein Werkzeug gemäß Anspruch 12 gelöst.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter Unterdruck ein gegenüber einem Umgebungsdruck reduzierter Druck in der Form für die Kunststoffbauteile verstanden.
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Dadurch, dass der Unterdruck in der Form nach Abschluss des Injizierens des Harzes erzeugt wird oder aufrechterhalten wird, kann das Vergussharz in der Form unter Unterdruck aufgeschäumt werden und so das faserverstärkte Kunststoffbauteil mit einer Schaumstruktur gebildet werden, so dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil ohne zusätzliche manuelle Arbeitsschritte hergestellt werden und das Gewicht des Kunststoffbauteils im Allgemeinen durch die so erzeugte Schaumstruktur reduziert werden kann.
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Dadurch, dass bei dem Werkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen dem Injektionskanal ein Verschlusselement zugeordnet ist, dass so gesteuert ist, dass nach dem Injizieren die Form zu verschlossen und in der Form ein Unterdruck erzeugt wird, kann das Vergussharz entsprechend mit einer geringen Anzahl von Arbeitsschritten und somit geringem technischen Aufwand aufgeschäumt werden und das Kunststoffbauteil mit einer Schaumstruktur gebildet werden, so dass insgesamt das Gewicht des herzustellenden Kunststoffbauteils reduziert werden kann.
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Insgesamt ist somit mit technisch geringem Aufwand die Herstellung von gewichtsreduzierten faserverstärkten Kunststoffbauteilen möglich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit vollständig gelöst.
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Das Vergussharz ist vorzugsweise als expandierendes ungesättigtes Polyesterharz ausgebidet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Vergussharz nach dem Aufschäumen ausgehärtet und der Unterdruck während des Aushärtens des Vergussharzes weiterhin in der Form erzeugt oder aufrechterhalten.
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Dadurch kann die durch den Unterdruck erzeugte Schaumstruktur des Vergussharzes aufrechterhalten werden, so dass das Kunststoffbauteil in der aufschäumenden Schaumstruktur aushärten kann und so ein geringes Gewicht und gleiche mechanische Eigenschaften wie bei herkömmlichen faserverstärkten Kunststoffbauteilen aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Werkzeugschale und/oder die zweite Werkzeugschale zum Aushärten des Vergussharzes geheizt.
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Dadurch kann der Aushärtungsvorgang beschleunigt werden und somit mit geringem Zeitaufwand ein faserverstärktes Kunststoffbauteil bereitgestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Vergussharz ein Treibmittel auf, wobei das Vergussharz durch das Treibmittel aufgeschäumt wird.
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Dadurch kann mit technisch geringem Aufwand die Schaumstruktur des Kunststoffbauteils erzeugt werden, wodurch mit technisch geringem Aufwand das Gewicht des Kunststoffbauteils reduziert werden kann und gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Kunststoffbauteilen gleich bleiben.
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Durch das Treibmittel und den in der Form erzeugten Unterdruck wird das faserverstärkte Kunststoffbauteil vorzugsweise mit einer geschlossenzelligen Schaumstruktur mit geschlossenen Oberflächen erzeugt. Dadurch kann ein äußerlich herkömmliches Kunststoffbauteil bereitgestellt werden, das ein deutlich geringeres Gewicht als herkömmliche Kunststoffbauteile aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die erste Werkzeugschale und die zweite Werkzeugschale vor dem Einlegen des Faserelements mit einem Trennmittel beschichtet.
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Dadurch kann das faserverstärkte Kunststoffbauteil nach dem Aushärten leicht entformt werden, da das Kunststoffbauteil durch das Trennmittel nicht an den Werkzeugschalen verhaftet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird wenigstens eine der Werkzeugschalen vor dem Einlegen des Faserelements mit einer Polymerschicht beschichtet, die Farbpigmente oder Farbmittel aufweist.
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Dadurch kann eine farbige Polymerschicht mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil vergossen werden, die eine Außenschicht des Kunststoffbauteils bildet, so dass das Kunststoffbauteil nach dem Entformen durch die Farbpigmente oder Farbmittel bereits eine endgültige gewünschte Außenfarbe aufweist. Dadurch kann die farbige Außenschicht des Kunststoffbauteils zum einen stabiler hergestellt werden und gleichzeitig das Kunststoffbauteil mit technisch geringem Aufwand eingefärbt werden. Als Farbpigmente können dabei beliebige Farbvarianten verwendet werden und können für den Fall, dass Kraftfahrzeugteile gefertigt werden, entsprechend der zukünftigen Außenfarbe der Kraftfahrzeuge gewählt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Einlegekern eine Schaumstruktur auf, die aus Polyurethan gebildet ist.
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Dadurch kann das Gesamtgewicht des faserverstärkten Kunststoffbauteils deutlich reduziert werden, da der Einlegekern eine geringe Dichte aufweist und somit bei großem Volumen ein kleines Gesamtgewicht aufweist.
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Der Einlegekern weist vorzugsweise ein Raumgewicht von weniger als 150 kg/m3 und besonders bevorzugt ein Raumgewicht von weniger als 120 kg/m3 auf. Dadurch kann das Gesamtgewicht des faserverstärkten Kunststoffbauteils bei gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften weiter reduziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Vergussharz nach dem Aushärten durch Luftinjektion in den Hohlraum entformt.
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Dadurch kann das Kunststoffbauteil einfach und zuverlässig aus der Form der Werkzeugschalen entformt werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn überschüssiges Vergussharz durch den Unterdruck in eine Abscheidekammer gesaugt wird.
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Dadurch kann überschüssiges Vergussharz aus der Form zuverlässig entfernt werden, so dass das Kunststoffbauteil maßhaltig ausgehärtet werden kann und wobei das überschüssige Vergussharz, das durch das Aufschäumen unter Unterdruck anfällt, zuverlässig abgeführt werden kann, so dass ein maßhaltiges Bauteil hergestellt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das überschüssige Vergussharz in der Abscheidekammer nach dem Aushärten und dem Entformen von dem faserverstärkten Kunststoffbauteil abgetrennt.
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Mit anderen Worten wird das überschüssige Vergussharz zusammen mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil ausgehärtet und ist nach dem Entformen einstückig mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil verbunden, so dass das ausgehärtete überschüssige Vergussharz an einer vordefinierten Position, nämlich entsprechend der Abscheidekammer, zuverlässig entfernt bzw. abgetrennt werden kann.
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Dadurch können die Kunststoffbauteile mit einer zuverlässigen Maßhaltigkeit gefertigt werden.
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Es ist insgesamt bevorzugt, wenn ein weiteres Faserelement in eine der Werkzeugschalen eingebracht wird, so dass der Einlegekern zwischen den beiden Faserelementen angeordnet ist.
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Dadurch kann der Einlegekern von den Faserelementen und der faserverstärkten Kunststoffstruktur vollständig umschlossen werden, wodurch ein mechanisch besonders stabiles Kunststoffbauteil gefertigt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Werkzeugs zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen ist zwischen dem Unterdruckkanal und dem Hohlraum eine Abscheidekammer gebildet, um überschüssiges Vergussharz aufzunehmen.
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Dadurch kann überschüssiges Vergussharz, insbesondere das durch das Aufschäumen erzeugte überschüssige Vergussharz, zuverlässig und definiert aus der Kammer abgeführt werden, wodurch eine zuverlässige und maßhaltige Fertigung möglich ist.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Abscheidekammer einen Durchmesser aufweist, der größer ist als ein Durchmesser des Unterdruckkanals und wobei die Abscheidekammer direkt mit dem Hohlraum verbunden ist.
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Dadurch kann das überschüssige Vergussharz direkt aus der Kammer abgeführt werden und von dem Unterdruckkanal angesaugt werden, so dass das überschüssige Vergussharz, insbesondere bei dem Vorgang des Aufschäumens, zuverlässig abgeführt werden kann.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn der Abscheideraum eine konische Form aufweist und sich zu dem Hohlraum hin öffnet.
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Dadurch kann das Kunststoffbauteil einfach entformt werden, da das überschüssige Vergussharz ohne Hinterschnitt zusammen mit dem Kunststoffbauteil aushärten kann.
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Es ist weiterhin bevorzugt, wenn an einer Innenwand des Hohlraums langgestreckte erhabene Leisten ausgebildet sind, die der Abscheidekammer zugeordnet sind.
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Dadurch kann die Abscheidekammer von dem Hohlraum bzw. der Form wenigstens teilweise abgeschirmt werden, so dass das Vergussharz bei der Injektion das Faserelement zuverlässig durchtränken kann, bevor das Vergussharz in die Abscheidekammer gelangen kann. Dadurch kann ein maßhaltiges Bauteil zuverlässig gefertigt werden.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Leisten um eine Öffnung der Abscheidekammer herum angeordnet sind.
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Durch kann der Hohlraum bzw. die Form direkt von der Abscheidekammer abgeschirmt werden, so dass in die Abscheidekammer erst dann überschüssiges Vergussharz gelangen kann, wenn der Hohlraum bzw. die Form vollständig mit Vergussharz gefüllt ist.
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Es ist dabei besonders bevorzugt, wenn die Leisten gegenüber der Innenwand des Hohlraums eine Höhe aufweisen, die wenigstens 30% bzw. ein Drittel eines Querschnitts der Form bildet.
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Dadurch können die Leisten als Quetschkanten wirken und das injizierte Vergussharz zuverlässig in den Hohlraum bzw. der Form fließen lassen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Leisten eine Höhe von 50% bzw. der Hälfte des Querschnitts der Form auf. Mit anderen Worten weisen die Leisten bzw. die Quetschkanten etwa die Hälfte der Dicke des zu fertigenden Kunststoffbauteils auf.
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Insgesamt können durch das erfindungsgemäße Verfahren und das Werkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen in einem einzigen Werkzeug die wesentlichen Verfahrensschritte zum Herstellen der Kunststoffbauteile ausgeführt werden, wobei durch das Erzeugen des Unterdrucks in der Form nach Abschluss des Injizierens des Vergussharzes mit geringem Aufwand das Vergussharz aufgeschäumt werden kann und entsprechend eine geschlossenzellige Schaumstruktur mit einer geschlossenen Oberfläche erzeugt werden, so dass mit technisch geringem Aufwand Kunststoffbauteile mit geringem Gewicht und mechanischen Eigenschaften wie bei herkömmlichen Kunststoffbauteilen bereitgestellt werden kann.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen;
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2a, b eine Teilansicht des Werkzeugs aus 2 und eine Teilansicht eines Kunststoffbauteils zur Erläuterung einer Harzabscheidekammer; und
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3a–c schematische Darstellungen eines Verfahrens zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen.
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In 1 ist ein Werkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen in einer schematischen Schnittansicht dargestellt und allgemein mit 10 bezeichnet. Das Werkzeug 10 weist eine obere Werkzeugschale 12 und eine untere Werkzeugschale 14 auf, die in einem zusammengebauten Zustand einen Hohlraum 16 bilden, der eine Form für die faserverstärkten Kunststoffbauteile bildet. Die obere Werkzeugschale 12 und die untere Werkzeugschale 14 sind im zusammengebauten Zustand fest und starr miteinander verbindbar und bilden dadurch den Hohlraum 16 mit einem festen und vordefinierten Volumen. Die obere Werkzeugschale 12 weist zwei Injektionskanäle 18 auf, die mit dem Hohlraum 16 verbunden bzw. verbindbar sind und durch die hindurch Vergussharz in den Hohlraum 16 injiziert werden kann, um die faserverstärkten Kunststoffbauteile mit dem Vergussharz zu vergießen. Die Injektionskanäle 18 sind dabei mit einer Injektionsanlage 20 verbunden, die das Vergussharz unter Druck den Injektionskanälen 18 zuführt. Den Injektionskanälen 18 ist ferner ein Verschluss 22 zugeordnet, um die Injektionskanäle 18 von der Injektionsanlage 20 insbesondere gasdicht zu trennen, so dass in dem Hohlraum 16 bzw. der Form 16 ein Unterdruck erzeugt werden kann, wie es im weiteren näher erläutert ist.
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In der oberen Werkzeugschale 12 ist ein Unterdruckkanal 24 ausgebildet, der mit dem Hohlraum 16 verbunden und an einer Vakuumpumpe 26 angeschlossen ist, um in dem Hohlraum 16 ein Unterdruck zu erzeugen. Der Unterdruckkanal 24 ist über eine Abscheidekammer 28 mit dem Hohlraum 16 verbunden, in der überschüssiges Vergussharz abgeschieden werden kann, das von dem Unterdruck in dem Unterdruckkanal 24 angesaugt wird. Der Abscheidekammer 28 sind ferner erhabene langgestreckte Leisten 30 zugeordnet, die Quetschkanten 30 des Werkzeugs 10 bilden. Die erhabenen Leisten 30 sind um die Abscheidekammer 28 herum an einer inneren Oberfläche 32 des Hohlraums 16 angeordnet und ragen etwa bis zur Hälfte in den Hohlraum 16 hinein, so dass die erhabenen Leisten 30 etwa eine Höhe aufweisen, die 50% bzw. der Hälfte der Bauteildicke an dieser Stelle entspricht. Die erhabenen Leisten 30 sind in einer Flussrichtung des Vergussharzes zwischen den Injektionskanälen 18 und der Abscheidekammer 28 bzw. dem Vakuumkanal 24 angeordnet, so dass die erhabenen Leisten 30 eine Barriere für das fließende Vergussharz bilden und dadurch gewährleisten, dass die Faserelemente des Kunststoffbauteils zunächst vollständig von dem Vergussharz durchtränkt werden, bevor das Vergussharz in die Abscheidekammer eingesaugt wird.
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Die obere Werkzeugschale 12 und die untere Werkzeugschale 14 weisen jeweils Druckluftkanäle 34 auf, durch die hindurch in den Hohlraum 16 Druckluft eingebracht werden kann, um die faserverstärkten Kunststoffbauteile nach dem Aushärten in dem Hohlraum 16 zu entformen und entsprechen von den Werkzeugschalen 12, 14 zu lösen.
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Die obere Werkzeugschale 12 weist ferner Vakuumhaltekanäle 36 auf, in denen ein Vakuum bzw. ein Unterdruck erzeugt wird, so dass die obere Werkzeugschale 12 und die untere Werkzeugschale 14 fest miteinander verbunden werden können.
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Die Werkzeugschalen 12, 14 sind im Allgemeinen aus Metall gebildet, wobei die inneren Oberflächen 32 des Hohlraums 16 jeweils poliert sind, um ein leichtes Ablösen der Kunststoffbauteile zu ermöglichen. Die Werkzeugschalen 12, 14 sind ferner heizbar, so dass ein Aushärten der Kunststoffbauteile beschleunigt werden kann. Die Werkzeugschalen sind dabei vorzugsweise mittels einer Heizflüssigkeit, die in Heizrohren 38 geführt ist, erwärmbar.
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Bei der Herstellung der faserverstärkten Kunststoffbauteile werden Glasfaser- oder Kohlefasermatten in die untere Werkzeugschale 14 eingelegt und die Werkzeugschalen 12, 14 miteinander fest verbunden, so dass der starre Hohlraum 16 mit dem vordefinierten Volumen die Außenabmessungen des zu fertigenden Bauteils bildet bzw. definiert. Über die Injektionskanäle 18 wird das Vergussharz in den Hohlraum 16 injiziert, um die Fasermatten entsprechend mit Vergussharz zu durchtränken. Dabei kann gleichzeitig über den Unterdruckkanal 24 in dem Hohlraum 16 ein Unterdruck erzeugt werden, um das Vergussharz entsprechend anzusaugen und den Prozess des Vergießens zu beschleunigen. Wenn der Hohlraum 16 entsprechend vollständig mit Vergussharz gefüllt ist, werden die Injektionskanäle 18 mittels des Verschlusses 22 verschlossen, insbesondere gasdicht verschlossen, und der Unterdruck in dem Hohlraum 16 weiter aufrechterhalten oder erzeugt bzw. verstärkt, so dass ein Treibmittel in dem Vergussharz das Vergussharz aufschäumen lässt. Das Vergussharz ist vorzugsweise aus Polyesterharz gebildet und das Treibmittel weist vorzugsweise Wasser und Eisen(III)-chlorid auf. Während des Aufschäumens wird das überschüssige Vergussharz in die Abscheidekammer 28 gesaugt, so dass das Vergussharz in dem starren Hohlraum 16 aufschäumen kann und eine Schaumstruktur entstehen kann.
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Nachdem das Vergussharz vollständig aufgeschäumt ist, wird das Vergussharz vorzugsweise durch Heizen des Werkzeugs 10 ausgehärtet, wobei während des Aushärtens der Unterdruck von der Vakuumpumpe 26 weiterhin aufrechterhalten wird.
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Dadurch, dass die Injektionskanäle 18 mittels des Verschlusses 22 verschlossen werden können und der Hohlraum 16 dadurch gasdicht abgeschlossen ist, kann in dem Hohlraum 16 der entsprechende Unterdruck erzeugt werden, wodurch das Treibmittel in dem Vergussharz das Vergussharz aufschäumen lässt.
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Nachdem das faserverstärkte Kunststoffbauteil vollständig ausgehärtet ist, wird das Kunststoffbauteil durch Luftinjektion durch die Druckluftkanäle 34 hindurch aus den Werkzeugschalen 12, 14 entformt und das überschüssige Vergussharz, das im Bereich der Abscheidekammer 28 an dem Kunststoffbauteil angelagert ist, abgetrennt, wie es im weiteren näher erläutert ist. Die Abscheidekammer weist dabei eine konische Form auf mit geneigten Seitenflächen, die eine Neigung von > 3° vorzugsweise > 6° aufweisen, um das Bauelement leicht entformen zu können.
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In den 2a, b ist die Funktionsweise der Abscheidekammer 28 näher erläutert. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
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In dem Hohlraum 16 ist das zu fertigende faserverstärkte Kunststoffbauteil aufgenommen und schematisch dargestellt und allgemein mit 40 bezeichnet. Das Kunststoffbauteil 40 weist im Allgemeinen zwei Faserelemente 42 sowie einen Einlegekern 44 auf, wobei die Faserelemente 42 glasfaserverstärkte Faserelemente oder kohlefaserverstärkte Faserelemente 42 sein können. In dem in 2 dargestellten Zustand wird das Vergussharz in den Hohlraum 16 injiziert und von dem Unterdruck der Vakuumpumpe 26 angesaugt, wie es durch Pfeile 46 dargestellt ist. Die erhabenen Leisten 30 bzw. die Quetschkanten 30 sind um die Abscheidekammer 28 herum ausgebildet, so dass für das Vergussharz eine Fließbarriere errichtet ist und eine Durchtränkung der Faserelemente 42 gewährleistet werden kann, bevor das Vergussharz in die Abscheidekammer 28, die auch als Harzfalle 28 bezeichnet wird, gelangen kann. Die Quetschkanten 30 weisen eine Höhe von wenigstens 30% der Bauteildicke an dieser Stelle auf und in einer besonderen Ausführungsform wenigstens 50%. Das überschüssige Vergussharz 48, das sich in der Abscheidekammer 28 während der Injektion des Vergussharzes und während des Vorgangs des Aufschäumens sammelt, wird zusammen mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil 40 ausgehärtet, so dass das überschüssige Vergussharz 48 nach dem Entformen einstückig mit dem faserverstärkten Kunststoffbauteil 40 verbunden ist, wie es in 2b gezeigt ist. Das überschüssige Vergussharz 48 wird nach dem Entformen mechanisch entfernt, wie es durch Keile 50 angedeutet ist.
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Durch die Abscheidekammer 28 kann somit ein freies Aufschäumen des Vergussharzes ermöglicht werden und eine präzise Maßhaltigkeit des Bauteils 40 gewährleistet werden.
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In den 3a bis c sind einzelne Schritte zur Fertigung des faserverstärkten Kunststoffbauteils 40 in dem Werkzeug 10 schematisch dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei hier lediglich die Besonderheiten erläutert sind.
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In 3a ist das Einlegen der Faserelemente 42 und des Einlegekerns 44 in die untere Werkzeugschale 14 schematisch dargestellt. Zunächst werden die Werkzeugschalen 12, 14 bzw. die inneren Oberflächen des Hohlraums 16 mit einem Trennmittel beschichtet, um ein Ablösen des faserverstärkten Kunststoffbauteils 40 einfacher zu ermöglichen.
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Nach dem Beschichten der inneren Oberflächen 30 mit dem Trennmittel wird ein Polyesterharz 52 auf eine der inneren Oberflächen 30 oder auf beide inneren Oberflächen 30 bzw. beide Werkzeugschalen 12, 14 aufgetragen, wobei das Polyesterharz 52 Farbpigmente bzw. Färbemittel beinhaltet, die einer gewünschten zukünftigen Außenfarbe des Bauteils 40 entsprechen. Danach wird ein erstes der Faserelemente 42 in die untere Werkzeugschale 14 eingelegt. In das erste Faserelement 42 wird der Einlegekern 44 eingelegt, der eine harte Struktur aufweist und als thermoplastischer Schaum aus expandierenden Polystyrolen gebildet ist und vorzugsweise ein Raumgewicht von weniger als 150 kg/m3 und besonders bevorzugt ein Raumgewicht von weniger als 120 kg/m3 aufweist. Der Einlegekern 44 weist eine harte bzw. feste Struktur auf und kann durch sein geringes Raumgewicht das Gewicht des faserverstärkten Kunststoffbauteils 40 deutlich reduzieren, wobei gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften eines herkömmlichen Kunststoffbauteils erzielt werden können. Nach dem Einlegen des Einlegekerns 44 wird ein zweites Faserelement 42 in die untere Werkzeugschale 14 eingelegt, so dass der Einlegekern 44 vollständig von den Faserelementen 42, die als Fasermatten aus CFK oder GFK gebildet sein können, umschlossen ist. Danach wird die obere und die untere Werkzeugschale miteinander fest verbunden, so dass der Hohlraum 16 in einer starren Form gebildet wird und die äußere Form des Bauteils 40 definiert.
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Nachdem die Werkzeugschalen 12, 14 miteinander verbunden sind, wird durch die Injektionskanäle 18 das Vergussharz, das vorzugsweise als expandierendes ungesättigtes Polyesterharz ausgebidet ist, in den Hohlraum 16 injiziert, wie es in 3b durch die Pfeile 46 schematisch dargestellt ist. Gleichzeitig wird durch die Vakuumpumpe 26 und den Unterdruckkanal 24 in dem Hohlraum 16 ein Unterdruck erzeugt, um das injizierte Vergussharz anzusaugen.
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Nachdem der Hohlraum 16 mit dem Vergussharz vollständig gefüllt ist und die Faserelemente 42 entsprechend vollständig durchtränkt sind, werden die Injektionskanäle 18 von der Injektionsanlage 20 getrennt, so dass der Hohlraum 16 ein abgeschlossener Hohlraum bzw. ein gasdichter Hohlraum ist. Der Unterdruck wird danach beibehalten oder erzeugt, so dass in dem Hohlraum 16 ein Druck von < 1 bar, vorzugsweise 0,6 bar entsteht und das Treibmittel in dem Vergussharz das Vergussharz aufschäumen lässt. Das Vergussharz weist dabei vorzugsweise ein Treibmittel auf, das aus 98% Wasser (H2O) und 2% Eisenchlorid (FeCl3) gebildet ist. Durch das Aufschäumen des Vergussharzes entsteht eine geschlossenzellige Schaumstruktur mit einer geschlossenen Oberfläche, so dass das Kunststoffbauteil 40 äußerlich identisch ist mit herkömmlichen Kunststoffbauteilen, jedoch ein deutlich geringeres Gewicht aufweist.
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Nach dem Aufschäumen des Vergussharzes wird das Vergussharz ausgehärtet, vorzugsweise durch Erwärmen der Werkzeugschalen 12, 14, wobei der Unterdruck durch die Vakuumpumpe 26 in dem Hohlraum 16 während des Aushärtens weiterhin erzeugt bzw. beibehalten wird. Dadurch kann verhindert werden, dass die Schaumstruktur zusammenfällt und das Bauteil 40 entsprechend eine ungewünschte Form annimmt.
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Nach dem Aushärten werden die Werkzeugschalen 12, 14 getrennt und das Bauteil 40 über die Druckluftkanäle 34 bzw. die Luftdüsen 34 entformt, wie es in 3c schematisch dargestellt ist. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil 40 wie es in 3c in endgültiger Form gezeigt ist, weist eine geschlossenzellige Schaumstruktur mit geschlossenen Oberflächen auf und mit einem innenliegenden Einlegekern 44, so dass ein besonders geringes Gewicht erzielt werden kann. Ferner bildet das Polyesterharz 52 mit den Farbpigmenten bzw. dem Färbemittel eine äußere Oberfläche des faserverstärkten Kunststoffbauteils 40, so dass durch das zuvor eingebrachte Polyesterharz 52 eine äußere Beschichtung und eine äußere Farbe des Bauelements mit technisch geringem Aufwand bereitgestellt werden kann, ohne dass nachfolgende Lackierungsschritte notwendig sind.
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Insgesamt kann durch das Verfahren und die Vorrichtung zum Herstellen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen der technische Aufwand zur Herstellung der Kunststoffbauteile mit einer Schaumstruktur signifikant reduziert werden und gleichzeitig können Kunststoffbauteile mit einem geringen Gewicht und üblichen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden.
