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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Im Fahrzeugbau kann für die Serienfertigung von Hochleistungsbauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Molding) angewendet werden. Mit Hilfe des RTM-Verfahrens können Bauteile in großer Stückzahl sowie hohen Faser-Volumengehalten reproduzierbar in kurzen Zykluszeiten hergestellt werden.
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Aus der
DE 10 2011 012 900 A1 ist ein gattungsgemäßes RTM-Verfahren bekannt, bei dem zunächst ein aus einem flächigen Faserhalbzeug (zum Beispiel eine Fasermatte, ein Fasergewebe, ein Fasergeflecht, -gestricke, -gelege oder -vlies) gebildeter Vorformling bereitgestellt wird, der in einer Umformpresse dreidimensional vorgeformt wird. Der Vorformling befindet sich noch im Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial. Zur Fertigstellung des Kunststoffbauteils wird der Vorformling als ein Einlegerteil in eine, zwischen zwei Injektionswerkzeughälften definierte Werkzeugkavität eingelegt. Auf die Injektionswerkzeughälften wirkt eine Presseinheit, die im RTM-Prozess die Werkzeugkavität mit einer Presskraft schließt. Zudem wird mittels einer Injektionseinheit eine flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials unter Wärme und Druck in die Werkzeugkavität injiziert. Nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem Injektionswerkzeug entnommen werden.
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Das als Einlegerteil in die Werkzeugkavität einlegbare Faserhalbzeug unterliegt im Herstellungsprozess Eigenschaftsschwankungen. Diese führen regelmäßig zu Qualitätsfehlern, wie zum Beispiel einer fehlerhaften Vernähung, doppelt abgelegter Kohlefaserrovings oder zu dicken Kreuzungspunkten. Aufgrund des hohen Materialpreises kann nicht jede Fehlerstelle herausgeschnitten werden, da sonst der Materialausnutzungsgrad zu gering wäre. Auch beim sogenannten Preforming, bei dem das zweidimensionale, das heißt ebenflächige Faserhalbzeug in eine, der Bauteilkontur entsprechende 3D-Kontur gebracht wird, kommt es häufig zu Fehlerstellen, wie etwa Falten oder Aufdickungen. Dies ist geometrisch bedingt und lässt sich im Drapierprozess größtenteils nicht verhindern. Im nachfolgenden RTM-Prozess besteht daher die Gefahr, dass die Fehlerstellen im Faserhalbzeug zu erheblichen Qualitätseinbußen im fertiggestellten Kunststoffbauteil führen. Jede Eigenschafts-Schwankung im Faserhalbzeug resultiert nämlich in eine Änderung der Strömungsverhältnisse während des Injektionsvorganges und kann somit häufig zu Trocken- oder anderen Fehlerstellen im Kunststoffbauteil führen.
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In einer gängigen RTM-Vorrichtung werden die RTM-Prozessparameter vor der Durchführung des RTM-Prozesses statisch in einer Maschinensteuerung festgelegt. Bei der Maschinensteuerung erfolgt jedoch keine Anpassung an die oben angegebenen Eigenschafts-Schwankungen im Vorformling. Vielmehr fährt die Maschinensteuerung einen statischen RTM-Prozess ab, ohne auf die aktuellen Gegebenheiten in der Werkzeugkavität des Injektionswerkzeuges zu reagieren.
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Aus der
DE 601 06 424 T2 ist eine RTM-Vorrichtung bekannt, bei dem der RTM-Prozess automatisch gesteuert wird.
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Die
DE 10 2011 051 391 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung eines Resin-Transfer-Moulding-(RTM)Verfahrens zur Herstellung von insbesondere Integralbauteilen, wobei die Vorrichtung eine Injektionseinheit und ein mit einem Formenhohlraum versehenes schließbares Werkzeug aufweist und die Injektionseinheit an das Werkzeug koppelbar ist, derart, dass ein Injektionsharz in das Werkzeug einbringbar ist, wobei das Werkzeug wenigstens einen mittels einer Harzflussschließeinheit schließbaren und mit dem Formenhohlraum verbundenen Harzausgang aufweist, aus welchem nach dem Füllen der Form Injektionsharz austreten kann, wobei an oder nach dem Harzausgang eine den austretenden Harzfluss detektierende Messeinheit angeordnet ist, welche mit der Harzflussschließeinheit gekoppelt ist, derart, dass bei Detektion von Harzfluss mittels der Messeinheit die Harzflussschließeinheit schließt.
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Das Patentdokument
DE 10 2013 102 486 B3 offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Messung des hydrodynamischen Kompaktierungsverhaltens einer faserhaltigen Verstärkungsstruktur während einer Imprägnierung über die Oberfläche der in einer Kavität einer zweiteiligen Messzelle einliegenden Verstärkungsstruktur mit einem flüssigen Messmedium, das über die Dicke der Verstärkungsstruktur verteilt wird. Die Vorrichtung umfasst eine eine Kavität aufweisende Messzelle, die ein Unterteil und ein dazu geradlinig verschiebbares Oberteil umfasst, wobei das Unterteil einen Einlass und das Oberteil einen Auslass für das Messmedium aufweist, die über Leitungen, in die Messmittel zur Erfassung des Volumenstroms eingesetzt sind, mit einer Hydraulikpumpe oder einem Drucktopf verbunden sind. Das Oberteil und/oder das Unterteil weisen mindestens einen Drucksensor in der Kavität und mindestens eine Wegmesseinrichtung zur Ermittlung der Ist-Dicke der Verstärkungsstruktur auf.
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Die
DE 10 2012 022 633 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mittels Injektionsprozess, mit einem Formwerkzeug bestehend aus einem Werkzeugunterteil und einem Werkzeugoberteil, mit einem Hubsystem, mit dem das Werkzeugoberteil gegenüber dem Werkzeugunterteil von einer offenen Ausgangsposition, in der Faserhalbzeug einlegbar oder ein Bauteil entnehmbar ist, in eine geschlossene Formposition verlagerbar ist, in der eine Kavität entsprechend der Bauteilform ausgebildet wird und in einem Injektionsprozess bei eingelegtem Faserhalbzeug Kunststoff-Matrixwerkstoff in die Kavität des geschlossenen Formwerkzeugs injiziert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bereitzustellen, dessen Bauteil-Qualität im Vergleich zum Stand der Technik verbessert ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 arbeitet die erfindungsgemäße RTM-Vorrichtung nicht mehr nur mit einer einfachen Maschinensteuerung ohne Rückkoppelung über die aktuellen Gegebenheiten im Injektionswerkzeug, sondern vielmehr mit einem Regelkreis, der den RTM-Prozess selbsttätig auf die vorgegebenen Soll-Prozessparameter regelt. In dem Regelkreis sind Sensorelemente zur Erfassung der Ist-Prozessparameter sowie eine Regeleinheit eingebunden, die auf der Grundlage der Ist- und Soll-Prozessparameter zumindest eine Stellgröße ermittelt, mit der die Presseinheit und/oder die Injektionseinheit während des RTM-Prozesses ansteuerbar ist.
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Durch die permanente Anpassung der Prozessparameter während der Injektion und der anschließenden Aushärtung kommt es zu einer Erhöhung der Reproduzierbarkeit und somit zu einer Verringerung der Bauteil-Ausschussrate. Neben dem Faserhalbzeug und dem Injektionswerkzeug hat die Prozessführung den größten Einfluss auf die Bauteil-Qualität. Dies stellt den stärksten Hebelpunkt dar für eine Bauteiloptimierung. Der RTM-Prozess kann somit gezielt auf relevante Prozessparameter optimiert werden. Besonders bei einem als Sandwichbauteil ausgeführten Vorformling mit einem Schaumkern spielt exemplarisch der Werkzeuginnendruck eine entscheidende Rolle. Je leichter der Schaumkern ist, desto geringer ist dessen Druckstabilität. Mit dem erfindungsgemäßen Regelkreis kann der Werkzeug-Innendruck entsprechend klein gehalten werden, wodurch noch leichtere Bauteile mit darin integriertem Schaumkern produzierbar sind.
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In einer regelungstechnischen Umsetzung kann im Regelkreis zumindest ein Sensorelement eingebunden sein, mit dem im RTM-Prozess eine Änderung einer Werkzeugkavitäts-Höhe als ein Ist-Prozessparameter erfasst wird. Alternativ und/oder zusätzlich kann im Regelkreis zumindest ein Sensorelement eingebunden sein, mit dem im RTM-Prozess ein Kavitäts-Innendruck und/oder eine Prozesstemperatur als Ist-Prozessparameter erfasst werden. Zudem kann im Regelkreis zumindest ein Sensorelement eingebunden sein, mit dem im RTM-Prozess das Fließverhalten der noch flüssigen Ausgangskomponente der Kunststoffmatrix und/oder deren Aushärtungsgrad als Ist-Prozessparameter erfassbar ist. Ein solches Sensorelement ist beispielhaft ein kapazitiv arbeitender Sensor. Die obigen Sensorelemente können ebenflächig in der die Werkzeugkavität begrenzenden Formfläche der beiden Injektionswerkzeughälften eingearbeitet sein.
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Zudem kann im Regelkreis zumindest ein Sensorelement eingebunden sein, mit dem im RTM-Prozess der von der Injektionseinheit in die Werkzeugkavität einströmende Mengenstrom der flüssigen Matrix-Ausgangskomponente als ein Ist-Prozessparameter erfassbar ist.
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Vor Durchführung des RTM-Prozesses können zum Beispiel vom Werker Soll-Prozessparameter in die Regeleinheit eingegeben werden. Während des RTM-Prozesses kann die Regeleinheit auf der Grundlage der eingegebenen Soll-Prozessparameter und der erfassten Ist-Prozessparameter jeweils Stellgrößen ermitteln, auf deren Grundlage die Prozessbedingungen während des RTM-Prozesses einstellbar sind.
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In einer technischen Umsetzung der Vorrichtung kann deren Presseinheit eine Hauptzylinderanordnung aufweisen, mit der im RTM-Prozess das erste Werkzeug (Oberwerkzeug) mit der Presskraft gegen das zweite Werkzeug (Unterwerkzeug) gepresst wird. Zudem kann die Presseinheit eine Nebenzylinderanordnung aufweisen, mit der im RTM-Prozess das erste Werkzeug mit einer, der Presskraft entgegengerichteten Ausgleichskraft beaufschlagbar ist. Diese greift bevorzugt außerhalb der Werkzeugkavität am ersten Werkzeug an, um eine Werkzeugkavitätshöhe einzustellen. Sowohl die Hauptzylinderanordnung als auch die Nebenzylinderanordnung können als Stellglieder im Regelkreis eingebunden sein, das heißt von der Regeleinheit mit Stellgrößen angesteuert werden.
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Alternativ und/oder bevorzugt zusätzlich kann auch die Injektionseinheit im Regelkreis eingebunden sein und von der Regeleinheit mit einer entsprechenden Stellgröße angesteuert werden, um den Ist-Mengenstrom der noch flüssigen Matrix-Ausgangskomponente in die Werkzeugkavität einzustellen.
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Der Injektionseinheit kann zudem zumindest ein Heizelement zugeordnet sein, mit dem die Prozesstemperatur in der Werkzeugkavität einstellbar ist. Das Heizelement kann beispielhaft im Bereich der die Werkzeugkavität begrenzenden Formfläche angeordnet sein. Zudem können weitere Heizelemente in der zur Werkzeugkavität führenden Injektionsleitung integriert sein. Die Heizelemente können zur weiteren Steigerung der Regelgüte ebenfalls im Regelkreis eingebunden sein, das heißt von der Regeleinheit mit einer Stellgröße angesteuert werden.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen lediglich beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in einer schematischen Schnittdarstellung ein fertiggestelltes Kunststoffbauteil;
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2 bis 4 jeweils Ansichten, die Prozessschritte zur Herstellung des Kunststoffbauteils veranschaulichen; und
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5 in einer Ansicht von oben die in der 4 gezeigte RTM-Vorrichtung.
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In der 1 ist ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 1 gezeigt, das in einer später in der 4 gezeigten RTM-Vorrichtung. hergestellt ist. Das Kunststoffbauteil 1 weist eine dreidimensionale Struktur auf und ist aus einem Faserhalbzeug 3 hergestellt, das in einer Kunststoffmatrix 5 eingebettet ist.
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Nachfolgend ist anhand der 2 bis 4 das Verfahren zur Herstellung des in der 1 gezeigten Kunststoffbauteils 1 beschrieben: So wird zunächst das noch ebene Faserhalbzeug 3 (2) in einem Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial, bereitgestellt. Anschließend wird unter Bildung eines Vorformlings das Faserhalbzeug 3 in einer nicht gezeigten Umformpresse dreidimensional vorgeformt. Der so gebildete Vorformling 3 wird als ein Einlegerteil in eine Werkzeugkavität 7 eingelegt, die von oberen und unteren Injektionswerkzeughälften 9, 11 der RTM-Vorrichtung definiert ist. Die RTM-Vorrichtung weist gemäß der 4 eine auf die obere/untere Werkzeughälfte 9, 11 wirkende Presseinheit 13 auf. Diese ist in der 4 zweiteilig aufgebaut, und zwar mit einer Hauptzylinderanordnung 15, die über einen Arbeitszylinder 16 auf einen Pressenstößel (bzw. eine obere Aufspannplatte) 17 wirkt und die obere Injektionswerkzeughälfte 11 mit einer Presskraft FP gegen die untere Injektionswerkzeughälfte 9 anpressen kann, die auf einem unteren Pressentisch 10 angeordnet ist. Zudem weist die Presseinheit 13 eine Nebenzylinderanordnung 19 auf, die seitlich außerhalb der Werkzeugkavität 7 zwischen dem oberen Pressenstößel 17 und einer bodenseitigen Standfläche 18 abgestützt ist. Die Nebenzylinderanordnung 19 weist insgesamt vier Parallelhaltezylindern 21 auf, die gemäß der 5 umfangsseitig verteilt jeweils im Eckbereich der Werkzeughälften 9, 11 angeordnet sind und von denen in der 4 lediglich ein Parallelhaltezylinder 21 dargestellt ist. Mittels der Parallelhaltezylinder 21 wird im RTM-Prozess die Parallelhaltung der beiden Werkzeughälften 9, 11 geregelt, d. h. es kann die Kavitätshöhe hist zwischen den beiden Injektionswerkzeughälften 9, 11 eingestellt werden, um eine durchgängig konstante Bauteildicke zu erzielen.
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Bei einer während des RTM-Prozesses zu großen Presskraft FP erhöht sich der Fließwiderstand der in die Werkzeugkavität 7 injizierten Matrix-Ausgangskomponente, und zwar aufgrund der stärkeren Kompaktierung des Vorformlings 3. Demgegenüber besteht bei einer zu geringen Presskraft FP die Gefahr, dass sich das obere Injektionswerkzeug 11 aufgrund des in der Werkzeugkavität 7 vorherrschenden Prozessdruckes pist nach oben abhebt, und zwar unter Vergrößerung der Kavitätshöhe hist, wodurch das umlaufende Dichtelement 29 außer Eingriff mit den Werkzeugflächen der Injektionswerkzeughälften 9, 11 kommen kann.
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Zudem weist die RTM-Vorrichtung eine Injektionseinheit 23 auf, die über eine Injektionsleitung 25 an einem Angusspunkt 27 in die Werkzeugkavität 7 mündet. Mittels der Injektionseinheit 23 wird im RTM-Prozess eine flüssige Ausgangskomponente der Kunststoffmatrix in die Werkzeugkavität 7 eingespeist.
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Zur Abdichtung der Werkzeugkavität 7 ist außerhalb der Werkzeugkavität 7 ein umlaufendes Dichtelement 29 zwischen den beiden einander zugewandten Werkzeugflächen der Injektionswerkzeughälften 9, 11 angeordnet.
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Der Injektionseinheit 23 sind zudem Heizelemente 32 zugeordnet, die in der 4 an der Injektionsleitung 25 positioniert sind sowie auch unmittelbar in den Formflächen der Injektionswerkzeughälften 9, 11 integriert sind, die die Werkzeugkavität 7 begrenzen. Mittels der Heizelemente 32 wird im RTM-Prozess das Fließverhalten sowie der Aushärtevorgang der Kunststoffmatrix 5 eingestellt.
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In der 4 ist der Vorrichtung ein geschlossener Regelkreis R mit einer Regeleinheit 31 zugeordnet. In die Regeleinheit 31 sind vor Durchführung des RTM-Prozesses zum Beispiel vom Werker unterschiedliche, für die Bauteilqualität relevante Prozessparameter x eingebbar. Zudem sind im Regelkreis R eine Vielzahl von später beschriebenen Sensorelementen eingebunden, die Ist-Prozessparameter y erfassen. Auf der Grundlage der Ist- und Soll-Prozessparameter x, y ermittelt die Regeleinheit 31 unterschiedliche Stellgrößen z, mit denen die Presseinheit 13 sowie die Injektionseinheit 23 ansteuerbar sind.
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Nachfolgend ist der Aufbau sowie die Funktionsweise des Regelkreises R detaillierter beschrieben: So weist der Regelkreis R Sensorelemente 33 (das heißt zum Beispiel Wegesensoren) auf, von denen in der 4 lediglich einer beispielhaft dargestellt ist. Mit dem Wegesensor 33 ist im RTM-Prozess eine Änderung der Kavitätshöhe hist als ein Ist-Prozessparameter erfassbar. Mit weiteren, unmittelbar in der Formfläche der Injektionswerkzeughälften 9, 11 ebenflächig eingelassenen Sensorelementen 35, 36 sind der Kavitäts-Innendruck pist und die Prozesstemperatur Tist als Ist-Prozessparameter erfassbar. Zudem sind im Regelkreis R kapazitiv arbeitende Sensoren 37 eingebunden, die im RTM-Prozess das Fließverhalten der noch flüssigen Matrix-Ausgangskomponente in der Werkzeugkavität 7 und deren Aushärtungsgrad als Ist-Prozessparameter erfassen. Die Injektionseinheit 23 weist einen Durchflussmesser 39 auf, mit dem der in die Werkzeugkavität 7 eingebrachte Mengenstrom mist der flüssigen Matrix-Ausgangskomponente als weiterer Ist-Prozessparameter erfasst wird.
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Auf der Grundlage der werkerseitig eingegebenen Soll-Prozessparameter x sowie der erfassten Ist-Prozessparameter y werden die Stellgrößen z ermittelt, mit denen Stellglieder der RTM-Vorrichtung zur Einstellung der Ist-Prozessparameter ansteuerbar sind. Die Stellglieder sind in der 4 die Hauptzylinderanordnung 15 sowie die Nebenzylinderanordnung 19 der Presseinheit 13, die jeweils mit separaten Stellgrößen zF und zA ansteuerbar sind. Zudem ist auch die Injektionseinheit 23 mit einer Stellgröße zm ansteuerbar, um den Ist-Mengenstrom m .ist zu variieren. In gleicher Weise sind auch über Temperiergeräte 24 die Heizelemente 32 der Injektionseinheit 23 mit Stellgrößen zT ansteuerbar.
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In einer technischen Umsetzung der Erfindung können zwei Heizelementtypen/-positionen bereitgestellt sein: Ein erstes Heizelement kann am Schlauchpaket der Matrixleitungen 25 angeordnet sein und durch die Injektionseinheit 23 gesteuert werden. Ein zweites Heizelement kann im Injektionswerkzeug angeordnet sein und mittels externer Temperiergeräte gesteuert werden.
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Der Angusspunkt 27 ist in der 4 um einen Querversatz seitlich versetzt zur Hauptbelastungsrichtung der oberen Injektionswerkzeughälfte 9 angeordnet. Bei Injektionsvorgang steigt insbesondere am Angusspunkt 27 der Kavitäts-Innendruck pist. Dadurch besteht die Gefahr, dass die obere Injektionswerkzeughälfte 9 aus seiner gezeigten Horizontallage in eine geringfügige Schräglage kippt, bei der die obere Injektionswerkzeughälfte 9 teilweise vom unteren Injektionswerkzeug 11 abhebt, und zwar unter Vergrößerung der Kavitätshöhe hist. Bei Erfassung der vergrößerten Kavitätshöhe hist steuert der Regelkreis R die Parallelhaltezylinder 21, die Injektionseinheit 23 sowie die Hauptzylinderanordnung 15 an, um die obere Injektionswerkzeughälfte 9 wieder in seine Horizontallage zu bringen.
