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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Nutz- oder Kraftfahrzeug. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff.
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Faserverstärkte Bauteile werden üblicherweise mittels Pressverfahren, beispielsweise mittels eines Nasspressverfahrens oder eines Prepreg-Pressverfahrens, hergestellt. Zur Durchführung der Pressverfahren werden vornehmlich hydraulische Pressen mit einem entsprechenden Werkzeug eingesetzt, in das ein üblicherweise mehrere Verstärkungsfasern und einen Matrixwerkstoff aufweisender Faserverbundwerkstoff eingelegt und zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils gepresst wird.
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Bei der Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels solcher bekannter Pressverfahren besteht die Problematik einer nur unvollständigen Benetzung der Verstärkungsfasern (beispielsweise in Form von Geweben, Gelegen oder Vorformlingen) mit dem Matrixwerkstoff sowie die Problematik des Einschließens von Gasblasen im faserverstärkten Bauteil.
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Durch eine unvollständige Benetzung der Verstärkungsfasern mit dem diese umgebenden Matrixwerkstoff und der damit einhergehenden verringerten Haftung zwischen den Verstärkungsfasern und dem Matrixwerkstoff können sich mechanische Eigenschaften des faserverstärkten Bauteils, wie beispielsweise Festigkeit oder E-Modul, sowie die Langlebigkeit des faserverstärkten Bauteils betreffende Eigenschaften verschlechtern.
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Vor diesem Hintergrund werden faserverstärkte Bauteile oftmals mit einem hohen Sicherheitsfaktor ausgelegt, was aber zu erhöhten Kosten und einem erhöhtem Bauteilgewicht führen kann.
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Darüber hinaus kann das faserverstärkte Bauteil durch die unvollständige und/oder teils inhomogene Benetzung sowie durch eingeschlossene Gasblasen entstandene Poren an/in dem faserverstärkten Bauteil unter Umständen den entsprechenden Oberflächenanforderungen für den Einsatz als Sichtbauteil nicht oder nur teilweise gerecht werden.
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Im Nasspressverfahren können Prozessparameter wie Harzauftrag-Geometrie, Infiltrierzeit oder Pressenprofil variiert werden, um die Anzahl bzw. die Größe der Gasblasen zu verringern sowie eine homogene Benetzung der Verstärkungsfasern zu erreichen. Weiterhin kann bei mehrteiligen Werkzeugen mit einer Staukante abhängig von der Art der eingesetzten Verstärkungsfasern, der Viskosität des Matrixwerkstoffs, der Menge des Matrixwerkstoffs, dem im Verfahren eingesetzten Pressenprofil und dem Spalt zwischen den Werkzeugteilen ein temporärer Werkzeuginnendruck erzeugt werden. Dieser wird überwiegend durch einen Viskositätsanstieg des Matrixwerkstoffs während einem Aushärten erzeugt und kann zur Komprimierung oder zum Lösen der Gasblasen führen. Trotz der vorhergehend genannten Maßnahmen kann es aber insbesondere bei der Verarbeitung von inhomogen bzw. grobmaschig verteilten Verstärkungsfasern, wie Litzen oder Geflechten, zu einer Porenbildung oder zu unvollständig benetzten Bereichen im faserverstärkten Bauteil kommen. Vor allem bei nur im geringfügigen Maße entlüftbaren Bauteilgeometrien reicht der temporäre Werkzeuginnendruck oftmals nicht aus, die verbleibenden Gasblasen ausreichend zu komprimieren und aus dem Faserverbundwerkstoff zu lösen, um eine geforderte Bauteilqualität zu erreichen.
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Darüber hinaus kann beispielsweise an Kreuzungspunkten von als Gewebe ausgeführten Verstärkungsfasern eine vermehrte Schrumpfung des Matrixwerkstoffs auftreten, welcher ebenfalls nicht ausreichend durch den temporären Werkzeuginnendruck kompensiert werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils anzugeben, welche die Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwinden können, und insbesondere das Ausmaß von durch Gasblasen entstandenen Poren an/in dem faserverstärkten Bauteil zumindest im Vergleich zum Stand der Technik verringern können.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere für ein Fahrzeug wie ein Land-, Wasser- oder Luftfahrzeug, vorzugsweise für ein Nutz- oder Kraftfahrzeug, weist ein aus zumindest zwei relativ zueinander bewegbaren Werkzeugteilen gebildetes Werkzeug auf, wobei die Werkzeugteile ausgebildet sind, in einer zusammengeführten Stellung eine Kavität zur Aufnahme eines Faserverbundwerkstoffs und ein mit der Kavität verbundenes Ausgleichsvolumen derart festzulegen, dass der in der Kavität aufgenommene Faserverbundwerkstoff teilweise von der Kavität in das Ausgleichsvolumen strömen kann, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, über das Ausgleichsvolumen einen in der Kavität vorliegenden Druck zu erhöhen. Ebenso denkbare Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Vorrichtung können in der Möbel- oder Bauindustrie sein.
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Zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils kann der Faserverbundwerkstoff in zumindest ein Werkzeugteil der relativ zueinander, zwischen der zusammengeführten Stellung und einer auseinandergeführten Stellung bewegbaren Werkzeugteile eingelegt werden. Der eingelegte Faserverbundwerkstoff weist beispielsweise Verstärkungsfasern in Form von Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern auf. Die Verstärkungsfasern können beispielsweise als aus Endlosfasern gewickelter Vorformling, als Gelege oder Gewebe vorliegen. Der Matrixwerkstoff hingegen ist beispielsweise ein duroplastischer Kunststoff wie ein zwei- oder mehrkomponentiges Epoxidharz, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass der Matrixwerkstoff in noch flüssiger Form zusammen mit den Verstärkungsfasern in das entsprechende Werkzeugteil eingelegt werden kann.
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Alternativ können Faserverbundwerkstoffe aus bereits vorimprägnierten Verstärkungsfasern wie beispielsweise sogenannte Prepregs, welche einen bei Raumtemperatur hochviskosen und damit nicht abtropfenden Matrixwerkstoff aufweisen, in das Werkzeug bzw. das entsprechende Werkzeugteil eingelegt werden.
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Vorzugsweise sind die Werkzeugteile Bestandteil einer Presse, insbesondere einer hydraulischen Presse.
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Unter der zusammengeführten Stellung der Werkzeugteile ist insbesondere eine Stellung bzw. ein Zustand zu verstehen, in der/dem die Werkzeugteile derart zusammengefahren bzw. -bewegt sind, dass die Kavität eine endkonturnahe Form oder die Form bzw. die Kontur des herzustellenden faserverstärkten Bauteils festlegt bzw. ausbildet. Es ist demnach möglich, die endgültige Form des herzustellenden faserverstärkten Bauteils erst durch ein weiteres geringfügiges Zusammenführen der Werkzeugteile über die zusammengeführte Stellung hinaus durch die Kavität festzulegen. Dabei wird die Kontur bzw. Form des herzustellenden faserverstärkten Bauteils durch die Kavität und nicht etwa durch das ausschließlich zur Druckerhöhung und Druckverringerung dienende Ausgleichsvolumen festgelegt.
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Wie vorstehend jedoch erwähnt ist, sind die Kavität und das Ausgleichsvolumen vorzugsweise so ausgebildet, dass überschüssiger Faserverbundwerkstoff, vor allem Matrixwerkstoff, durch Zusammenfahren bzw. -bewegen der Werkzeugteile aus der Kavität in das Ausgleichsvolumen gepresst werden kann und dort eine Werkstoffansammlung ausbildet. Die Werkstoffansammlung kann dabei herausgepressten Matrixwerkstoff und ebenso aus der Kavität herausragende Verstärkungsfasern aufweisen. Durch das Herauspressen des Matrixwerkstoffs wird der Faservolumenanteil in der Kavität erhöht.
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Ferner ist die Vorrichtung eingerichtet, einen Druck im Ausgleichsvolumen derart zu erhöhen, dass der erhöhte Druck über die Werkstoffansammlung ebenfalls auf die Kavität bzw. in der Kavität und damit auf den Faserverbundwerkstoff wirkt. Durch die Druckerhöhung kann es zu einer Umverteilung des vorzugsweise flüssigen Matrixwerkstoffs in der Kavität kommen, wodurch Bereiche, in denen die Verstärkungsfasern unzureichend mit Matrixwerkstoff benetzt sind, reduziert werden. Zusätzlich können die Verstärkungsfasern in größerem Ausmaß von dem Matrixwerkstoff infiltriert bzw. durchtränkt werden, was zu einer besseren Haftung des Matrixwerkstoffs mit den Verstärkungsfasern führen kann. Gleichzeitig werden eventuell vorhandene Gasblasen komprimiert, was zu einer Verringerung der Gasblasengröße führen kann, Ferner kann über die Verbindung des Ausgleichsvolumens mit der Kavität der Matrixwerkstoff unter dem angelegten Druck in die Kavität zurück fließen und eine eventuell entstandene Schrumpfung ausgleichen.
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Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, den erhöhten Druck während einem Aushärten des Faserverbundwerkstoffs aufrechtzuerhalten. Das Aushärten des Faserverbundwerkstoffs kann insbesondere durch eine Aushärtereaktion des zweikomponentigen Epoxidharzes als Matrixwerkstoff erfolgen.
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Das Werkzeug kann ferner mittels eines Heizkreislaufs beheizt sein, wodurch ein Umformen des eingelegten Faserverbundwerkstoffs und/oder das Aushärten bzw. ein Beschleunigen des Aushärtens ermöglicht wird. Dies ist insbesondere bei wärmeaushärtenden Matrixwerkstoffen von Vorteil.
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Durch die homogenere Verteilung des Matrixwerkstoffs, die verbesserte Haftung des Matrixwerkstoffs mit den Verstärkungsfasern und eine verringerte Gasblasengröße können somit mechanische Eigenschaften des faserverstärkten Bauteils verbessert und die Langlebigkeit des faserverstärkten Bauteils erhöht werden.
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Die Vorrichtung eignet sich somit insbesondere für die Herstellung von faserverstärkten Sichtbauteilen mit einem homogen verteilten Matrixwerkstoff, wobei eine erhöhte Haftung zwischen dem Matrixwerkstoff und den Verstärkungsfasen erreicht werden kann.
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In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung ferner eingerichtet, über das Ausgleichsvolumen einen in der Kavität vorliegenden Druck zu verringern. Neben dem bereits erwähnten Komprimieren der Gasblasen durch die Erhöhung des Drucks kann durch Verringern des Drucks ein Lösen der Gasblasen aus dem Faserverbundwerkstoff erreicht werden. Dadurch kann eine Gesamtgasmenge im Faserverbundwerkstoff verringert werden, wodurch die Anzahl bzw. die Größe der Gasblasen reduziert werden kann. Dies ist insbesondere bei herzustellenden faserverstärkten Bauteilen, welche eine nur im geringfügigen Maße entlüftbaren Geometrie aufweisen, von Vorteil.
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Darüber hinaus kann durch die Verringerung des Drucks im Ausgleichsvolumen Matrixwerkstoff in das Ausgleichsvolumen gezogen bzw. gesaugt werden, was zu einer Erhöhung des Verstärkungsfaseranteils in der Kavität führen kann.
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Weiterhin können die Werkzeugteile zumindest in der zusammengeführten Stellung die Kavität und das Ausgleichsvolumen über einen Tauchkantenverschluss abdichten. Der Tauchkantenverschluss kann vorzugsweise aus einer ersten Tauchkante des ersten Werkzeugteils und einer zweiten Tauchkante des zweiten Werkzeugteils derart ausgebildet werden, dass die beiden Tauchkanten einen dichten Spalt in Pressrichtung bilden. Der Spalt dichtet die Kavität und das Ausgleichsvolumen gegenüber der Umgebung der Vorrichtung derart ab, dass der darin vorliegende Druck erhöht oder verringert werden kann.
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Vorzugsweise befindet sich zusätzlich ein Dichtwerkstoff, wie beispielsweise ein Dichtungsgummi oder Dichtungsring, im Dichtspalt. Die Dichtwirkung des ohnehin dichtenden Tauchkantenverschlusses kann dadurch zusätzlich erhöht werden. Der Dichtungsring kann um die Kavität umlaufen und von einem der beiden Werkzeugteile gehaltert werden. Im Vergleich zu einem Werkzeug mit einer festen Trennebene bietet der Tauchkantenverschluss den Vorteil, dass das Ausgleichsvolumen und die Kavität bereits während dem Zusammenfahren der zueinander beweglichen Werkzeugteile in die zusammengeführte Stellung abgedichtet werden können. Der Druck im Ausgleichsvolumen kann somit auch während dem Zusammenfahren der Werkzeugteile reduziert oder erhöht werden, wodurch eine Reduzierung von Prozesszeiten ermöglicht werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ausgleichsvolumen kanalartig mittelbar oder unmittelbar neben der Kavität verläuft und/oder im Querschnitt in Form einer Nut, vorzugsweise einer in Bezug auf die Kavität umlaufenden Dreiecksnut, ausgebildet ist. Die vorstehend erläuterte Werkstoffansammlung aus dem Faserverbundwerkstoff kann von der Dreiecksnut in Form einer sog. „Speiser-Nut” aufgenommen werden. Das Ausgleichsvolumen bzw. die Nut kann dabei kanalförmig um die gesamte Kavität umlaufen oder einzelne Abschnitte aufweisen, die jeweils mit der Kavität verbunden sind.
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Durch das gesamte Umlaufen kann ein im Ausgleichsvolumen erhöhter oder verringerter Druck entlang der gesamten Umlauflänge auf die Kavität wirken, was zu einer gleichmäßigen Druckverteilung im Faserverbundwerkstoff führen kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft für die bereits erwähnte Umverteilung des vorzugsweise flüssigen Matrixwerkstoffs in der Kavität.
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Durch die kanalartige Ausbildung der Dreiecksnut kann der Faserverbundwerkstoff aufgefangen werden und ein Eintreten des Faserverbundwerkstoffs in den Dichtspalt bzw. ein Auslaufen des Faserverbundwerkstoffs aus dem Werkzeug verhindert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Querschnitt des Ausgleichsvolumens durch die in der zusammengeführten Stellung befindlichen Werkzeugteile ausgebildet werden. Durch die Ausbildung des Ausgleichsvolumens mittels beider Werkzeugteile kann ein Auspressen des Faserverbundwerkstoffs in die Kavität bereits während dem Zusammenführen der Werkzeugteile erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eingerichtet, mittels eines Nasspressverfahrens ein faserverstärktes Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen. Dazu ist die Vorrichtung derart eingerichtet, dass mit dem flüssigen Matrixwerkstoff getränkte Verstärkungsfasern zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils verwendet werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere für ein Fahrzeug, vorzugsweise für ein Nutz- oder Kraftfahrzeug, wird vorzugsweise mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt, wobei die Vorrichtung ein aus zumindest zwei relativ zueinander bewegbaren Werkzeugteilen gebildetes Werkzeug aufweist, wobei die Werkzeugteile ausgebildet sind, in einer zusammengeführten Stellung eine Kavität zur Aufnahme eines Faserverbundwerkstoffs und ein mit der Kavität verbundenes Ausgleichsvolumen derart festzulegen, dass der in der Kavität aufgenommene Faserverbundwerkstoff teilweise von der Kavität in das Ausgleichsvolumen strömen kann, wobei das erfindungsgemäße Verfahren den folgenden Schritt aufweist:
- – einen Druckerhöhungsschritt, bei dem ein in der Kavität vorliegender Druck über das Ausgleichsvolumen erhöht wird.
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Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile und Eigenschaften auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verweisen wird. Gleiches gilt sinngemäß auch für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb auch diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
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Durch das Durchführen des Druckerhöhungsschritts kann ein statischer Werkzeuginnendruck in der Kavität gezielt erzeugt werden – und nicht indirekt über den aus dem Stand der Technik bekannten Viskositätsanstieg des Matrixwerkstoffs während dem Aushärten des Bauteils. Die Durchführung des Verfahrens wird somit erleichtert, da ein gewünschter Druck in der Kavität nicht mehr ausschließlich über eine Abstimmung von bereits im Stand der Technik erwähnten Prozessparametern wie dem im Verfahren eingesetzten Pressenprofil oder der Matrixwerkstoffmenge erreicht werden kann.
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Vorzugsweise wird vor dem Druckerhöhungsschritt ein Druckverringerungsschritt durchgeführt, bei dem der in der Kavität vorliegende Druck verringert wird. Insbesondere wird vor dem Druckerhöhungsschritt der Druckverringerungsschritt durchgeführt, bis ein zu erzielender Werkzeugspalt zur Ausbildung der Kavität erreicht ist und das Ausgleichsvolumen mit dem Faserverbundwerkstoff gefüllt. D. h. es erfolgt eine Druckreduzierung, die bis zum Erreichen des Werkzeugspalts und dem Füllen des Ausgleichsvolumens mit Faserverbundwerkstoff andauern kann, wobei im Anschluss der Druckerhöhungsschritt erfolgt, bei dem ein in der Kavität vorliegender Druck über das Ausgleichsvolumen erhöht wird.
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Wie bereits erwähnt ist, kann durch das Verringern des Drucks ein Lösen der Gasblasen aus dem Faserverbundwerkstoff erreicht werden. Dadurch kann die Gesamtgasmenge im Faserverbundwerkstoff verringert werden, wodurch die Anzahl bzw. die Größe der Gasblasen reduziert werden kann. Die verbleibenden Gasblasen können anschließend, wie vorstehend beschrieben ist, in dem Druckerhöhungsschritt komprimiert werden.
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Des Weiteren kann vor dem Druckerhöhungsschritt und/oder vor dem Druckverringerungsschritt ein Schließschritt durchgeführt werden, bei dem die Werkzeugteile so zusammengeführt werden, dass in der Kavität aufgenommener Faserverbundwerkstoff in das Ausgleichsvolumen strömen kann. Durch den Schließschritt können die Werkzeugzeile in die zusammengeführte Stellung derart zusammengeführt bzw. zusammengefahren werden, dass überschüssiger Matrixwerkstoff in das Ausgleichsvolumen gedrückt bzw. gepresst wird. Die Menge des Faserverbundwerkstoffs, insbesondere des Matrixwerkstoffs, wird vorzugsweise derart dosiert, dass zumindest die Kavität nach dem Schließschritt vollständig mit Faserverbundwerkstoff bzw. Matrixwerkstoff gefüllt ist. Durch das Strömen des Faserverbundwerkstoffs in das Ausgleichsvolumen kann es zusätzlich zu einem Umverteilen des vorzugsweise flüssigen Matrixwerkstoffs in der Kavität kommen, so dass eine homogenere Verteilung des Matrixwerkstoffs erreich werden kann, als sie noch vor dem Schließschritt in der Kavität vorlag. Darüber hinaus kann durch Pressen des Matrixwerkstoffs in das Ausgleichsvolumen der Faservolumenanteil des herzustellenden Bauteils erhöht werden.
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Der Druckerhöhungsschritt kann vor und/oder während und/oder nach dem Aushärten des Faserverbundwerkstoffs durchgeführt werden. Vorteilhaft wird der Druckerhöhungsschritt vor dem Aushärten begonnen, so dass eine Umverteilung des Matrixwerkstoffs in der Kavität erfolgen kann. Wie bereits erwähnt ist, können eventuell im Faserverbundwerkstoff eingeschlossene Gasblasen durch den Druckerhöhungsschritt komprimiert oder aus dem Faserverbundwerkstoff gelöst werden. Insbesondere mittels der Durchführung des Druckerhöhungsschritts vor und während des Aushärtens können Bauteile mit einer verringerten Porengröße ausgehärtet werden.
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Neben der Komprimierung von eventuell in dem Faserverbundwerkstoff eingeschlossenen Gasblasen kann der Druckerhöhungsschritt eine vor und/oder während dem Aushärten auftretende Schrumpfung ausgleichen, indem der Faserverbundwerkstoff aus dem Ausgleichsvolumen in die Kavität gedrückt bzw. gepresst wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt so durchgeführt, dass vor dem Schließschritt ein Einlegeschritt durchgeführt wird, bei dem der Faserverbundwerkstoff in zumindest ein Werkzeugteil derart eingelegt wird, dass der Faserverbundwerkstoff die durch die Kavität vorgegebene Form nach dem Schließschritt annimmt.
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Bei dem Einlegeschritt können Verstärkungsfasern in das Werkzeug eingelegt werden und beispielsweise durch Aufsprühen oder Eingießen des Matrixwerkstoffs von dem Matrixwerkstoff umschlossen werden.
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Vorzugsweise werden die Verstärkungsfasern bereits vor dem Einlegen in das Werkzeug in einem Vorbereitungsschritt mit flüssigem Matrixwerkstoff umschlossen bzw. getränkt. Alternativ können aber auch die aus dem Stand der Technik bekannten Prepregs durch das Werkzeug aufgenommen werden.
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Wie bereits erwähnt kann die Kavität eine endkonturnahe Form bzw. die Form des herzustellenden faserverstärkten Bauteils aufweisen. Durch den Schließschritt kann der eingelegte Faserverbundwerkstoff die von der Kavität in der zusammengeführten Stellung der Werkzeugteile vorgegebene Form annehmen.
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Vorteilhaft werden die Werkzeugteile während dem Aushärten über die zusammengeführte Stellung hinaus geringfügig weiter zusammengefahren bzw. bewegt. Dadurch kann der Druck in der Kavität weiter erhöht werden.
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Ein Teil des faserverstärkten Bauteils, welcher sich nach dem Aushärten außerhalb der Kavität befindet kann in einem nicht dargestellten optionalen Bearbeitungsschritt vom faserverstärkten Bauteil entfernt oder abgetragen werden.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren als Nasspressverfahren durchgeführt.
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Wie aus dem vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist, ermöglichen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere die Herstellung von Sichtbauteilen mit erhöhten mechanischen Eigenschaften. Durch den erhöhten Druck vor und/oder während dem Aushärten des Bauteils kann darüber hinaus eine höhere Prozesssicherheit erreicht werden, wodurch die Bautenauslegung mit niedrigerem Sicherheitsfaktors vorgenommen werden kann. Dadurch können Kosten und Gewicht des herzustellenden faserverstärkten Bauteils gespart werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beilegenden Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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Die gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils, beispielsweise für ein Kraftfahrzeug, mittels eines Nasspressverfahrens eingerichtet.
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Die Vorrichtung 1 weist ein aus einem ersten Werkzeugteil 2 und einem zweiten Werkzeugteil 3 gebildetes Werkzeug auf. Die Werkzeugteile 2, 3 sind relativ zueinander beweglich und können von einer auseinandergeführten bzw. -gefahrenen Stellung in eine in der Figur dargestellte zusammengeführte bzw. -gefahrene Stellung bewegt werden.
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Das erste Werkzeugteil 2 weist einen ersten Kavitätsabschnitt 4a auf und das zweite Werkzeugteil 3 weist einen zweiten Kavitätsabschnitt 4b auf. Die Kavitätsabschnitte 4a und 4b legen in der dargestellten zusammengeführten Stellung der Werkzeugteile 2, 3 eine Kavität 4 fest.
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Das erste Werkzeugteil 2 weist ferner einen ersten Ausgleichsvolumenabschnitt 5a auf und das zweite Werkzeugteil 3 weist ferner einen zweiten Ausgleichsvolumenabschnitt 5b auf. Die Ausgleichsvolumenabschnitte 5a, 5b legen in der dargestellten zusammengeführten Stellung der Werkzeugteile 2, 3 ein um die Kavität 4 umlaufendes Ausgleichsvolumen 5 fest. Dabei verläuft das Ausgleichsvolumen 5 kanalartig unmittelbar neben der Kavität 4, wobei eine Verbindung mit der Kavität 4 hergestellt ist. Im in der Figur dargestellten Querschnitt hat das Ausgleichsvolumen 5 die Form einer Dreiecksnut.
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Dementsprechend ist die Vorrichtung 1 derart eingerichtet, dass die Kavität 4 einen Faserverbundwerkstoff 10 derart aufnehmen kann, dass der Faserverbundwerkstoff 10, z. B. bestehend aus Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern 10a und einem zweikomponentigen Epoxidharz als Matrixwerkstoff 10b, die durch die Kavität 4 vorgegebene Form annehmen kann.
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist das Werkzeug derart eingerichtet, dass der Faserverbundwerkstoff 10 von der Kavität 4 anhand der Verbindung zwischen der Kavität 4 und dem Ausgleichsvolumen 5 in das Ausgleichsvolumen 5 sowie in dazu entgegengesetzter Richtung strömen kann.
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Die Vorrichtung 1 ist ferner eingerichtet, einen in der Kavität 4 vorliegenden Druck über das Ausgleichsvolumen 5 zu erhöhen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass eine Öffnung 8b im Ausgleichsvolumen 5 vorgesehen ist, an die ein nicht in der Figur dargestellter Verdichter angeschlossen ist, um somit einen in dem Ausgleichsvolumen 5 vorliegenden Druck zu erhöhen.
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Weiterhin ist die Vorrichtung 1 eingerichtet, den Druck über das Ausgleichsvolumen 5 zu verringern. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass eine weitere Öffnung 8a im Ausgleichsvolumen 5 vorgesehen ist, an die eine nicht in der Figur dargestellte Vakuumpumpe angeschlossen ist, um einen in dem Ausgleichsvolumen 5 vorliegenden Druck zu verringern.
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Zur Abdichtung des Ausgleichsvolumens 5 und der Kavität 4 gegenüber der Umgebung der Vorrichtung 1 weist das Werkzeug ferner einen Tauchkantenverschluss 7 auf. Zur Ausbildung dieses Tauchkantenverschlusses 7 weisen das erste Werkzeugteil 2 eine erste Tauchkante 7a und das zweite Werkzeugteil 3 eine zweite Tauchkante 7b auf. Die beiden Tauchkanten 7a, 7b bilden den Tauchkantenverschluss 7 derart aus, dass sie einen gemeinsamen dichten Spalt in Press- bzw. Zusammenführrichtung des Werkzeugs bilden, der das Ausgleichsvolumen und die Kavität abdichtet. Der dargestellte Tauchkantenverschluss 7 ermöglicht somit eine Relativbewegung der Tauchkanten 7a, 7b und damit der beiden Werkzeugteile 2, 3 innerhalb eines durch die Tauchkanten 7a, 7b vorgebebenen Bewegungsbereichs unter Beibehaltung der Dichtigkeit gegenüber der Umgebung.
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Um die Dichtwirkung der ohnehin abdichtenden Tauchkanten 7a, 7b zu verstärken, sind in dem Spalt zwei Dichtungen 8a, 8b angeordnet. Die Dichtungen 8a, 8b sind in Form von um die Kavität 4 umlaufenden Dichtringen ausgebildet und werden von dem zweiten Werkzeugteil 3 gehalten. Die Dichtungen 8a, 8b können alternativ in einer nicht dargestellten Ausführungsform auch von dem ersten Werkzeugteil 2 gehalten werden.
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Die Vorrichtung 1 ist ferner derart eingerichtet, dass die beiden Werkzeugteile 2, 3 um 0,1 bis 0,5 mm über die dargestellte zusammengeführte Stellung hinaus weiter zusammengefahren werden können, um dadurch eine zusätzliche Druckerhöhung in der Kavität 4 zu erreichen.
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Das Werkzeug weist ferner einen nicht dargestellten Heizkreislauf auf, wodurch die Werkzeugtemperatur erhöht werden kann. Durch die Erhöhung der Werkzeugtemperatur kann ein Aushärten des Faserverbundwerkstoffs 10 herbeigeführt bzw. beschleunigt werden.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 beispielhaft anhand eines Nasspressverfahrens beschrieben.
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Zu Beginn des Verfahrens wird ein Vorbereitungsschritt durchgeführt, in dem der zu verpressende Faserverbundwerkstoff 10 derart vorbereitet wird, dass ein Gewebe aus Verstärkungsfasern 10a, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, mit einem Matrixwerkstoff 10b, wie beispielsweise einem zweikomponentigen Epoxidharz, getränkt wird.
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Anschließend wird ein Einlegeschritt durchgeführt, in dem die mit Epoxidharz als Matrixwerkstoff 10b getränkten gewebeartigen Verstärkungsfasern 10a in den Kavitätsabschnitt 4b des zweiten Werkzeugteils 3 eingelegt werden. Dementsprechend befinden sich die beiden Werkzeugteile 2, 3 zu diesem Zeitpunkt in einer auseinandergeführten Stellung, um das Einlegen des Faserverbundwerkstoffs 10 in Form des mit Epoxidharz getränkten Gewebes zu ermöglichen.
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Danach werden die beiden Werkzeugteile 2, 3 in einem Schließschritt von der auseinandergeführten Stellung in eine zusammengeführte Stellung bewegt. Die Kavität 4 bildet in der zusammengeführten Stellung der Werkzeugteile 2, 3 somit eine endkonturnahe Form des herzustellenden faserverstärkten Bauteils aus. Demzufolge nimmt der Faserverbundwerkstoff 10 in Form des mit dem Epoxidharz getränkten Gewebes durch das Zusammenführen der Werkzeugteile 2, 3 die durch die Kavität 4 vorgegebene Form an.
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Vor allem überschüssiges, zu diesem Zeitpunkt noch flüssiges Epoxidharz als Matrixwerkstoff 10b wird dabei in das umlaufende Ausgleichsvolumen 5 gepresst und bildet dort eine Werkstoffansammlung 10c, beispielsweise aus aus der Kavität 4 herausstehenden Verstärkungsfasern 10a und herausgedrücktem Matrixwerkstoff 10b, aus. Dadurch wird der Faservolumenanteil des herzustellenden faserverstärkten Bauteils in der Kavität 4 erhöht.
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Anschließend wird in einem Druckverringerungsschritt der in dem Ausgleichsvolumen 5 anliegende Druck um vorzugsweise 60–90% gegenüber einem Umgebungsdruck verringert, was zu einem Absolutdruck in dem Ausgleichsvolumen von 0,1 bis 0,4 bar führt. Dies wird in diesem Fall durch die an die Öffnung 8a angeschlossene Vakuumpumpe bewerkstelligt, welche somit vornehmlich oder ausschließlich über das Ausgleichsvolumen 5 einen Unterdruck erzeugt, was zu einer Druckverringerung in der Kavität 4 führt.
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Dadurch werden eventuell im Faserverbundwerkstoff 10 eingeschlossene Gasblasen zumindest teilweise gelöst und somit eine eingeschlossene Gesamtgasmenge verringert. Der Druckverringerungsschritt kann dabei nach und/oder gleichzeitig mit dem Schließschritt durchgeführt werden.
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Auf den Druckverringerungsschritt folgt ein Druckerhöhungsschritt, in dem der Druck in dem Ausgleichsvolumen 5 erhöht wird und flüssiges Epoxidharz als Matrixwerkstoff 10b der Werkstoffansammlung 10c aus dem Ausgleichsvolumen 5 zurück in die Kavität 4 fließt. In diesem Fall wird die Druckerhöhung über den an die Öffnung 8b angeschlossenen Verdichter bewerkstelligt, so dass eine Druckerhöhung in der Kavität 4 vornehmlich oder ausschließlich über die Druckerhöhung in dem Ausgleichsvolumen 5 mittels des Verdichters erzielt wird. Alternativ kann die Druckerhöhung durch Anschluss eines Druckspeichers vorgenommen werden, wobei in dem Druckspeicher ein technisches Gas unter bestimmten Speicherbedingungen wie beispielsweise unter hohem Druck und/oder bei tiefer in dem Druckspeicher vorliegender Temperatur gespeichert ist.
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Der Druck in dem Ausgleichsvolumen 5 wird vorzugsweise um 15–50% gegenüber dem Umgebungsdruck erhöht.
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Dadurch wird eine homogene Verteilung des Epoxidharzes als Matrixwerkstoff 10b in der Kavität 4 und ein verbessertes Infiltrieren der Kohlenstofffaser als Verstärkungsfaser 10a mit dem Epoxidharz als Matrixwerkstoff 10b erreicht. Nach dem Druckverringerungsschritt noch vorhandene Gasblasen werden im Druckerhöhungsschritt komprimiert.
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Der Druckerhöhungsschritt wird vorzugsweise für 5–30 Sekunden durchgeführt, um neben dem Komprimieren der Gasblasen ein Umverteilen des flüssigen Matrixwerkstoffs 10b durch Fließvorgänge sicherzustellen.
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Danach folgt ein Aushärteschritt, in dem der Faserverbundwerkstoff 10 ausgehärtet wird, wobei der in dem Druckerhöhungsschritt erhöhte Druck weiter an dem Ausgleichsvolumen 5 anliegt. Im Aushärteschritt werden die Werkzeugteile 2, 3 über die zusammengeführte Stellung hinaus vorzugsweise um 0,1–0,5 mm weiter zusammengefahren, wodurch der Druck in der Kavität 4 weiter erhöht wird.
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Die Kavität 4 bildet nun die Endkontur des herzustellenden faserverstärkten Bauteils aus. Die Aushärtung des Faserverbundwerkstoffs 10 zu dem faserverstärkten Bauteil in seiner endgültigen Form erfolgt im Wesentlichen über eine Aushärtereaktion des zweikomponentigen Epoxidharzes als Matrixwerkstoff 10b. Die Aushärtereaktion wird über eine Erhöhung der Werkzeugtemperatur vor und/oder in dem Aushärteschritt beschleunigt.
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Anschließend wird ein Entnahmeschritt durchgeführt, in dem der erhöhte Druck in dem Ausgleichsvolumen 5 zunächst verringert wird und die Werkzeugteile 2, 3 aus der zusammengeführten Stellung wieder in die auseinandergeführte Stellung gefahren bzw. bewegt werden. Das ausgehärtete faserverstärkte Bauteil wird nun entnommen.
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In einem optionalen Bearbeitungsschritt wird ein Teil des faserverstärkten Bauteils, welcher sich während dem Aushärten nicht in der Kavität 4, sondern in dem Ausgleichvolumen 5 befunden hat, vorzugsweise durch Abschleifen entfernt.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
