DE102014206499A1

DE102014206499A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff

Info

Publication number: DE102014206499A1
Application number: DE102014206499.6A
Authority: DE
Inventors: Magdalena Völker; Katrin Krukowski; Jan Schütte
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-10-08
Also published as: CN104972579A; CN104972579B

Abstract

Eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils (12) aus einem faserverstärkten Kunststoff umfasst einen Kern (14), der nach der Herstellung aus dem Bauteil (12) entfernt wird, wobei der Kern (14) einen inneren Kernabschnitt (16) und einen den inneren Kernabschnitt (16) umfangsmäßig zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Kernabschnitt (18) aufweist. Der äußere Kernabschnitt (18) ist aus einem in einem Lösungsmittel auflösbaren Material gebildet, während der innere Kernabschnitt (16) formstabil ist und aus einem gegenüber dem Lösungsmittel beständigen Material gebildet ist. Zur Herstellung des Bauteils (12) wird der Kern (14) mit einem faserverstärkten Kunststoff umhüllt. Der äußeren Kernabschnitt (18) wird in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst, und der innere Kernabschnitt (16) wird aus dem Bauteil (12) entnommen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff, für Bauteile, bei denen ein Kern mit einem faserverstärkten Kunststoff umhüllt wird.
Das Umhüllen des Kerns mit insbesondere in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Fasern kann in einem beliebigen bekannten Verfahren erfolgen. Mögliche Herstellungsverfahren umfassen Umspritzen, Umgießen oder Umschäumen des Kerns, aber auch Pressverfahren wie ein Pre-Preg-Pressverfaren oder ein Nasspressverfahren, bei dem der Kern sowie die Fasern und das die Kunststoffmatrix bildende Material in eine Werkzeugform eingebracht werden und die Kunststoffmatrix unter Druck- und/oder Temperatureinwirkung ausgehärtet wird. Ein weiteres mögliches Herstellungsverfahren ist ein Wickelverfahren, bei dem ein Wickelkern mit Endlosfasern umwickelt wird, wobei die Fasern in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. Dies geschieht beispielsweise, indem die Fasern mit einem Kunstharz getränkt werden.
Nach dem Erstarren der Kunststoffmatrix soll in vielen Fällen der Kern aus dem fertigen Bauteil entfernt werden.
Es ist bekannt, zu diesem Zweck Verlustkerne einzusetzen, die nach dem Formen oder bereits beim Formen des Bauteils durch Hitze oder Lösungsmitteleinwirkung zerstört werden (Lost Core-Verfahren). Das für den Kern verwendete Material ist jedoch oft teuer und die Kerne sind meist druckempfindlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung von Bauteilen aus einem faserverstärkten Kunststoff zu vereinfachen und kostengünstiger zu gestalten.
Dies wird mit einer Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff erreicht, mit einem Kern, der mit dem faserverstärkten Kunststoff zumindest abschnittsweise umhüllt wird, wobei der Kern nach der Herstellung aus dem Bauteil entfernt wird. Der Kern weist einen inneren Kernabschnitt und einen den inneren Kernabschnitt umfangsmäßig zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Kernabschnitt auf. Der äußere Kernabschnitt ist aus einem in einem Lösungsmittel auflösbaren Material gebildet. Der innere Kernabschnitt ist hingegen formstabil und besteht aus einem gegenüber dem Lösungsmittel beständigen Material. Erfindungsgemäß ist also der Kern zweiteilig aufgebaut, wobei ein formstabiler innerer Kernabschnitt von einem äußeren Kernabschnitt aus einem in einem geeigneten Lösungsmittel auflösbaren Material umgeben ist.
Die Außenoberfläche des äußeren Kernabschnitts kann jede beliebige gewünschte Form aufweisen, die mit dem gewählten Herstellungsverfahren des Bauteils kompatibel ist, da diese Kontur nicht dazu ausgelegt sein muss, aus dem fertigen Bauteil herausgezogen zu werden.
Der innere Kernabschnitt sollte so geformt sein, dass er nach dem Auflösen des äußeren Kernabschnitts aus dem fertigen Bauteil herausgezogen werden kann.
Der innere Kernabschnitt ist fest mit dem äußeren Kernabschnitt verbunden und stützt diesen ab, wodurch die Stabilität des gesamten Kerns erhöht wird.
Die für den Kern benötigte Menge an auflösbarem Material beschränkt sich auf das Volumen des äußeren Kenabschnitts.
Bevorzugt hat der innere Kernabschnitt die gleiche Länge wie der äußere Kernabschnitt, um diesen auf der ganzen Länge zu unterstützen.
Das Lösungsmittel ist beispielsweise eine Lauge, sodass mit einem laugenlöslichen Schaummaterial als Material für den äußeren Kernabschnitt gearbeitet werden kann. Es ist aber auch jedes andere geeignete Materialpaar von für einen Kern geeignetem Material und dieses lösenden Lösungsmittel einsetzbar.
Das Material des äußeren Kernabschnitts ist vorzugsweise ein geschäumtes Material, das formstabil genug sein sollte, um in dem gewählten Herstellungsprozess eingesetzt zu werden, aber porös genug, um in einem Lösungsmittel schnell und gleichmäßig aufgelöst zu werden.
Der faserverstärkte Kunststoff, der zur Herstellung des Bauteils eingesetzt wird, kann beispielsweise ein kohlefaserverstärkter Kunststoff, ein glasfaserverstärkter Kunststoff sein, aber auch ein mit Naturfasern oder Basaltfasern verstärkter Kunststoff. Auch andere geeignete Fasern können verwendet werden.
Der innere Kernabschnitt ist vorzugsweise wiederverwendbar gestaltet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der innere Kernabschnitt einen Hohlraum auf, dessen Wandung mit Öffnungen versehen ist, sodass das Lösungsmittel aus dem inneren Kernabschnitt in den äußeren Kernabschnitt gelangen kann. Das Lösungsmittel lässt sich einfach in den äußeren Kernabschnitt einbringen, indem der innere Hohlraum des inneren Kernabschnitts damit befüllt wird.
Dabei ist es günstig, wenn sich der innere Kernabschnitt vollständig durch den äußeren Kernabschnitt hindurch erstreckt, und sich der Hohlraum entlang einer Längsachse des inneren Kernabschnitts vollständig durch den inneren Kernabschnitt erstreckt, sodass das Lösungsmittel gegebenenfalls durch den inneren Kernabschnitt hindurch geleitet werden kann, um ein gleichmäßiges Auflösen des äußeren Kernabschnitts zu bewirken.
Vorzugsweise ist der innere Hohlraum mit einer Vorrichtung zum Ein- und zum Ausleiten des Lösungsmittels verbunden, sodass Lösungsmittel durch den inneren Kernabschnitt gepumpt werden kann.
Es ist jedoch auch möglich, den inneren Kernabschnitt massiv zu gestalten, und das Lösungsmittel nur in den äußeren Kernabschnitt einzuleiten.
Der innere Kernabschnitt hat insbesondere bei rotationssymmetrischen Bauteilen vorzugsweise eine zylindrische Außenkontur. Auf diese Weise lässt sich der innere Kernabschnitt nach dem Auflösen des äußeren Kernabschnitts leicht aus dem Bauteil herausziehen.
Bei Bauteilen mit asymmetrischer Außenkontur oder bei Bauteilen, die nach der Fertigstellung einen Hohlraum mit einer komplex geformten Innenwandung aufweisen sollen, ist die Form des inneren Kernabschnitts vorteilhaft so gewählt, dass dieser zerstörungsfrei aus dem Bauteil herausgezogen werden kann.
Wenn der innere Kernabschnitt einen Hohlraum aufweisen soll, bietet es sich oft an, den inneren Kernabschnitt aus einem Rohrstück zu fertigen und insbesondere in der Rohrwandung Öffnungen vorzusehen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff gelöst. Insbesondere kann hierzu eine oben beschriebene Vorrichtung eingesetzt werden. Ein Bauteil wird durch Umhüllen eines Kerns mit einem faserverstärkten Kunststoff erstellt, wobei der Kern einen inneren formstabilen Kernabschnitt und einen äußeren Kernabschnitt aufweist. Der äußere Kernabschnitt wird in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst, und der innere Kernabschnitt wird aus dem Bauteil entnommen.
Wie oben bereits beschrieben, wird das Lösungsmittel vorzugsweise durch einen Hohlraum im inneren Kernabschnitt geleitet und dringt durch Öffnungen in der Wandung des Hohlraums in den äußeren Kernabschnitt ein, wo es das Material des äußeren Kernabschnitts auflöst. Das aufgelöste Material kann gegebenenfalls auch durch den Hohlraum im inneren Kernabschnitt abgeleitet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff nach der Fertigstellung des Bauteils; und
2 die Vorrichtung aus 1 bei der Entnahme eines inneren Kernabschnitts.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Bauteils 12 aus einem faserverstärkten Kunststoff mit einem Kern 14.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird hier an einem Wickelverfahren verdeutlicht, bei dem das Bauteil 12 auf bekannte Weise durch Aufwickeln von Endlosfasern und Tränken der Endlosfasern mit einer Kunststoffmatrix auf dem Kern 14 erzeugt wird. Es ist aber auch jede andere Methode zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils einsetzbar, einschließlich Spritzgussverfahren und Schäumverfahren, bei denen ein Faseranteil in die Kunststoffmasse eingebracht wird, sowie Pressverfahren, bei denen eine Kunststoffmatrix des faserverstärkten Bauteils 12 in einer Werkzeugform (nicht dargestellt) unter Druck- und/oder Temperatureinwirkung ausgehärtet wird und bei denen ein Kern 14 in die Kunststoffmatrix zumindest abschnittsweise eingebettet wird. Der Kern 14 bleibt dabei zumindest an einem Abschnitt von außen zugänglich.
1 zeigt die Vorrichtung nach Aushärten der Kunststoffmatrix, wenn das gewickelte Bauteil 12 bereits selbsttragend und formstabil ist.
Der Kern 14 besteht hier aus einem inneren Kernabschnitt 16 und einem äußeren Kernabschnitt 18. Der äußere Kernabschnitt 18 umgibt den inneren Kernabschnitt 16 umfangsmäßig, wobei die axiale Länge der beiden Kernabschnitte 16, 18 hier gleich gewählt ist.
Der äußere Kernabschnitt 18 bestimmt die Kontur eines Hohlraums 19 im Inneren des Bauteils 12 und ist in diesem Beispiel geometrisch so geformt, dass er nicht zerstörungsfrei axial aus dem Bauteil 12 herausgezogen werden kann.
Als Material für den äußeren Kernabschnitt 18 ist in diesem Fall ein formstabiler Schaumstoff gewählt, der in einer geeigneten Lauge vollständig lösbar ist.
Es kann aber auch jedes andere in einem Lösungsmittel lösliche Material, das formstabil genug ist, um dem gewählten Herstellungsprozess zu widerstehen, eingesetzt werden.
Der innere Kernabschnitt 16 ist hingegen ein formstabiles Bauteil, das gegenüber dem zum Lösen des Materials des äußeren Kernabschnitts 18 verwendeten Lösungsmittels beständig ist.
Durch den inneren Kernabschnitt 16 führt ein Hohlraum 20 hindurch, der sich in diesem Beispiel in Längsrichtung L komplett durch den inneren Kernabschnitt 16 erstreckt.
Die Wandung des Hohlraums 20 ist hier mit etlichen Öffnungen 22 versehen, die in diesem Beispiel in Längsrichtung L und in Umfangsrichtung gleichmäßig über die gesamte Länge des inneren Kernabschnitts 16 verteilt sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in den Figuren nur eine der Öffnungen 22 mit einem Bezugszeichen versehen.
In diesem Beispiel ist der innere Kernabschnitt 16 durch ein kreiszylindrisches Rohr gebildet.
Der innere Hohlraum 20 ist mit einer Vorrichtung 24 zum Ein- und Ausleiten eines Lösungsmittels verbunden, wobei das Lösungsmittel an einem Ende des inneren Kernabschnitts 16 in den Hohlraum 20 eingeleitet wird und diesen an einem zweiten gegenüberliegenden Ende wieder verlässt. Durch die Öffnungen 22 dringt das Lösungsmittel in das Material des äußeren Kernabschnitts 18 ein und löst dieses auf.
Nachdem das Material des äußeren Kernabschnitts 18 ganz oder vollständig gelöst wurde, liegt der innere Kernabschnitt 16 frei und kann zerstörungsfrei aus dem Bauteil 12 herausgezogen werden, wie in 2 dargestellt ist.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils (12) aus einem faserverstärkten Kunststoff, mit einem Kern (14), der mit dem faserverstärkten Kunststoff zumindest abschnittsweise umhüllt wird, wobei der Kern (14) nach der Herstellung aus dem Bauteil (12) entfernt wird und wobei der Kern (14) einen inneren Kernabschnitt (16) und einen den inneren Kernabschnitt (16) umfangsmäßig zumindest abschnittsweise umgebenden äußeren Kernabschnitt (18) aufweist, wobei der äußere Kernabschnitt (18) aus einem in einem Lösungsmittel auflösbaren Material gebildet ist, und der innere Kernabschnitt (16) formstabil ist und aus einem gegenüber dem Lösungsmittel beständigen Material gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel eine Lauge ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kernabschnitt (16) einen Hohlraum (20) aufweist, dessen Wandung mit Öffnungen (22) versehen ist, sodass das Lösungsmittel aus dem inneren Kernabschnitt (16) in den äußeren Kernabschnitt (18) fließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (20) sich entlang einer Längsachse (L) des inneren Kernabschnitts (16) vollständig durch den inneren Kernabschnitt (16) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Hohlraum (20) mit einer Vorrichtung (24) zum Einleiten und zum Ausleiten des Lösungsmittels verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Kernabschnitt (16) eine zylindrische Außenkontur hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des äußeren Kernabschnitts (18) ein geschäumtes Material ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff ein kohlefaserverstärkter Kunststoff oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (12) aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: – Erstellen eines Bauteils (12) aus einem faserverstärkten Kunststoff durch Umhüllen eines Kerns (14) mit einem faserverstärkten Kunststoff, wobei der Kern (14) einen inneren formstabilen Kernabschnitt (16) und einen äußeren Kernabschnitt (18) aufweist, – Auflösen des äußeren Kernabschnitts (18) in einem geeigneten Lösungsmittel und – Entnehmen des inneren Kernabschnitts (16) aus dem Bauteil (12).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel durch einen Hohlraum (20) im inneren Kernabschnitt (16) geleitet wird und durch Öffnungen (22) in der Wandung des Hohlraums (20) in den äußeren Kernabschnitt (18) eindringt.