DE102015015083A1

DE102015015083A1 - Verfahren zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen mit thermoplastischem Matrixmaterial

Info

Publication number: DE102015015083A1
Application number: DE102015015083.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Garthaus; Niels Modler
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen (26) mit thermoplastischem Matrixmaterial auf expandierendem Kern innerhalb eines Blasformwerkzeuges mit innerer Profilierung (16). Dabei wird der expandierende Kern als ein bei einer eingestellten, das thermoplastische Material betreffenden Erweichungstemperatur und Blasformtemperatur T druckgasbeaufschlagbarer verformbarer thermoplastischer Hohlstrukturkern (11) ausgebildet, der mit einem ummantelnden und verstärkenden Umhüllungsmantels (12) zumindest aus thermoplastischem Matrixmaterial und Verstärkungsfasern (7) endkonturnah überzogen wird, wobei der thermoplastische Hohlstrukturkern (11) einen hohlstrukturinneren Hohlraum (31) aufweist, wobei der Hohlraum (31) des in das mit innerer Profilierung (16) ausgestatteten Blasformwerkzeug eingebrachten expandierbaren thermoplastischen Hohlstrukturkerns (11) als ein mit einem Druckgas beaufschlagbarer Druckraum ausgebildet wird, durch dessen Druckgasbeaufschlagung der thermoplastische Hohlstrukturkern (11) mit dem ummantelnden verstärkenden Umhüllungsmantel (12) der inneren Profilierung (16) eines zweiten Blasformwerkzeuges (17) endkonturfinal bei einer eingestellten Erweichungstemperatur oder Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials des Hohlstrukturkerns (11) angepasst verpresst wird und das thermoplastische Matrixmaterial des expandierenden Hohlstrukturkerns (11) mit dem thermoplastischen Matrixmaterial des Umhüllungsmantels (12) sich vermischend und/oder verbindend zu einer final entstehenden profilierten verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur (9) in Form der FKV-Hohlstruktur (26) durch Abkühlung unterhalb der Blasformtemperatur T konsolidiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen mit thermoplastischem Matrixmaterial auf expandierendem Kern innerhalb eines Blasformwerkzeugs mit innerer Profilierung.
Zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen (faserverstärkten Kunststoff-Verbund-Hohlstrukturen) eignen sich mit thermoplastischem Matrixmaterial vorgemischte oder vorkonsolidierte Halbzeuge, wie z. B. Hybridgarne/Fasern oder thermoplastische Bänder (Tapes), bei denen Matrixmaterial und Garnfasermaterial bereits im Halbzeug örtlich nah zusammengebracht werden.
Die Existenz von geformten Hohlstrukturen mit Endlosfaserverstärkung und thermoplastischem Matrixmaterial und von Verfahren zur Herstellung derartiger Hohlstrukturen ist bislang sehr begrenzt. Zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen mit thermoplastischem Matrixmaterial sind mindestens die Verfahrensschritte der Ablage der Faserhalbzeuge und der Konsolidierung der Faserhalbzeuge zu einer Verbundstruktur erforderlich. Für die Ablage der Fasern im Wickel- oder Flechtverfahren ist ein formstabiler Ablagekern erforderlich. Für die Konsolidierung der Faserhalbzeuge zu einer Verbundstruktur sind die Faserhalbzeuge unter Temperatur zu verpressen.
Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung derartiger Hohlstrukturen werden Vorformlinge aus einem expansionsfähigen Pulver zu einem Festkörper gepresst, auf den im Anschluss Fasern abgelegt werden können. Für die Konsolidierung zu einer Verbundstruktur wird der Vorformling zusammen mit den abgelegten Faserhalbzeugen in ein Formwerkzeug eingelegt. Bei gemeinsamer Erwärmung des Aufbaus expandiert der Vorformling bei Erreichen einer definierten Temperatur auf Grund einer chemischen Reaktion des verpressten Pulvers. Durch die Expansion des Kerns wird der für die Konsolidierung notwenige Konsolidierungsdruck aufgebracht.
Nach der Konsolidierung der Faserhalbzeuge zu einer Verbundstruktur und Abkühlen der Verbundstruktur wird der expandierte Vorformling aus der Verbundstruktur gewaschen.
Bei weiteren Verfahren kommen für die Prozessschritte des Vorformens und des Konsolidierens zwei Prozesshilfsmittel zur Anwendung.
Für den Vorform-Vorgang komplexer, hinterschnittiger Preformen sind beispielsweise

– praktische Schaumkerne sowie
– auswaschbare, ausschmelzbare Kerne

Die Konsolidierung der verstärkten Vorformlinge, das entspricht der Verbindung der einzelnen Halbzeuge zu einer Verbundstruktur, wird gemäß dem Stand der Technik bisher über Folienschläuche oder elastische Schläuche gelöst, die im Vorgang der Konsolidierung als Druckblasen genutzt werden. Für die Herstellung komplexer FKV-Hohlstrukturen, bei denen die formgebenden Kerne nach dem Konsolidieren nicht mehr aus der Verbundstruktur entfernt werden können, wird der Folienschlauch oder der elastische Schlauch auf die oben beschriebenen auslösbaren Kerne appliziert.
In einem Ausführungsbeispiel zum Stand der Technik wird eine Preform in ein Blasformwerkzeug eingebracht. Die Verarbeitung der Preform in eine konsolidierte Hohlstruktur erfolgt mit der in die Hohlstruktur eingebrachten Druckblase. Beim Blasformverfahren, d. h., während der Beaufschlagung mit Druckluft wird zuerst die verstärkte thermoplastische Hohlstruktur in das geschlossene formstabile Blasformwerkzeug mit einer inneren Profilierung eingelegt. Im Inneren der weitgehend rohrförmigen Preform befindet sich die eingebrachte Druckblase und führt mit einer durch die Eingangsöffnung führenden Druckgasleitung nach außen, wobei die Eingangsöffnung des Blasformwerkzeuges mit einem Abdichtelement abgedichtet ist. Zur Ableitung der aus dem Druckgasraum des Blasformwerkzeuges verdrängten Luft, die sich zwischen der unter Druck expandierenden Druckblase und der inneren Profilierung befindet, ist in dem Blasformwerkzeug ein Luftkanal vorhanden. Das Blaswerkzeug wird zusammen mit der Preform und der darin befindlichen Druckblase auf eine Temperatur im Bereich der Verarbeitungstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials der Hohlstruktur erwärmt. Durch Beaufschlagung der Druckblase mit Druckluft oder Druckgas wird die thermoplastische Hohlstruktur von innen durch die Druckblase gegen die innere Profilierung bzw. Kontur des Blasformwerkzeuges gedrückt, wodurch Lagen der Preform zu einer verstärkten Hohlstruktur konsolidiert werden. Unter Aufrechterhaltung des Prozessdrucks p in der Druckblase werden das Blasformwerkzeug und die Hohlstruktur als lagenverstärkter Thermoplast-Verbund unter die Erstarrungstemperatur des Matrixmaterials heruntergekühlt. Nach Erstarren des Matrixmaterials in der Hohlstruktur wird der Druck p in der Druckblase verringert, dann das Blasformwerkzeug geöffnet, danach wird das als Thermoplast-Verbund ausgebildete Bauteil entnommen und die im Hohlraum des Bauteils befindliche Druckblase kann aus dem finalen Bauteil entfernt werden.
Weitere Verfahren des Standes der Technik besitzen folgende Nachteile:

• Verwendung von unterschiedlichen Hilfsmitteln unter Ausbildung des Kerns beim Vorform-Vorgang,
• aufwendige, kostenintensive und zumeist nur einmal verwendbare Kerne für den Vorform-Vorgang von hinterschnittigen Vorformlingen – Preformen –,
• aufwändige, kostenintensive und zumeist nur für wenige (< 10) Blasformvorgänge verwendbare Druckblasen,
• für die Verarbeitung von Hochtemperatur-Thermoplasten (PEEK, PEKK, usw.) existieren keine Materialien, die den Verarbeitungstemperaturen standhalten und über die notwendige Elastizität verfügen sowie die als Folienschläuche oder elastische Schläuche im Blasformverfahren eingesetzt werden können. Aktuell kommen daher z. B. die expandierenden Kerne zur Anwendung, die ungleichmäßigen Verpressungsdruck aufbauen und häufig zu mangelhafter Konsolidierungsqualität führen.
• Für die Herstellung von expandierenden Kernen werden separate Werkzeuge benötigt, die wiederum eine bestimmte Designanforderung an die Gestaltung des expandierenden Kerns haben.
• Zusätzlicher Behandlungsaufwand der Vorformlinge zum Entfernen des Flechtkerns und zum Einlegen der ausgebildeten Druckblase.
• Zusätzlicher Behandlungsaufwand zum Entfernen der Druckblase.

Gerade für Produktionsserien mit größeren Stückzahlen existieren aktuell keine Verfahren, die einer effizienten Serienfertigung gerecht werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen mit thermoplastischem Matrixmaterial anzugeben, das derart geeignet ausgebildet ist, dass eine schnelle und kostengünstige Herstellung, insbesondere das Herstellen einer Preform und das Konsolidieren einer mechanisch hoch belastbaren, faserverstärkten Kunststoff-Verbund-Hohlstruktur ermöglicht werden.
Außerdem ist es zunächst erforderlich, einen geometrisch an die innere Geometrie des Bauteils angepassten Kern bereitzustellen, auf den ein Verstärkungsmaterial abgelegt werden kann. Bei Flechtkernen, die ausschließlich der Ablage der Fasern dienen, ist zusätzlich die Aufgabe des Verbleibs des Kerns zu lösen, was besonders bei geometrisch hinterschnittigen Geometrien eine Herausforderung darstellt.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem Verfahren zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen mit thermoplastischem Matrixmaterial auf expandierendem Kern innerhalb eines Blasformwerkzeugs mit innerer Profilierung,
wird gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
der expandierende Kern als ein bei einer eingestellten, das thermoplastische Matrixmaterial betreffenden Erweichungstemperatur und Blasformtemperatur T druckgasbeaufschlagbarer verformbarer thermoplastischer Hohlstrukturkern ausgebildet, der mit einem ummantelnden und verstärkenden Umhüllungsmantel zumindest aus thermoplastischem Matrixmaterial und Verstärkungsfasern endkonturnah überzogen wird, wobei der thermoplastische Hohlstrukturkern einen hohlstrukturinneren Hohlraum aufweist, wobei der Hohlraum des in das mit innerer Profilierung ausgestatteten Blasformwerkzeug eingebrachten expandierbaren thermoplastischen Hohlstrukturkerns als ein mit einem Druckgas p beaufschlagbarer Druckraum ausgebildet wird, durch dessen Druckgasbeaufschlagung der thermoplastische Hohlstrukturkern mit dem ummantelnden verstärkenden Umhüllungsmantel der inneren Profilierung eines zweiten Blasformwerkzeuges bei einer eingestellten Erweichungstemperatur oder Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials des Hohlstrukturkerns angepasst verpresst wird und das thermoplastische Matrixmaterial des expandierenden Hohlstrukturkerns mit dem thermoplastischen Matrixmaterial des Umhüllungsmantels sich vermischend und/oder verbindend zu einer endkonturfinal entstehenden profilierten verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur in Form der FKV-Hohlstruktur durch Hohlstruktur durch Abkühlung unterhalb der Blasformtemperatur T konsolidiert wird.
Mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens oder eines Spritzgussverfahrens wird aus thermoplastischem Matrixmaterial zuerst ein hohler Vorformling nach dem Umformen mittels Aufblasen oder Biegen, der als thermoplastischer Hohlstrukturkern eingesetzt wird, erzeugt.
Der Vorformling kann in einem Blasverfahren, einem Biegeverfahren oder einer Kombination aus beiden Verfahren zu einem thermoplastischen Hohlstrukturkern geformt werden, wobei die Außenkontur/Außenprofilierung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns an die Innenkontur/Innenprofilierung des finalen Bauteils angepasst wird.
Der thermoplastische Hohlstrukturkern kann zur Stabilisierung der Geometrie in Bezug auf die innere Profilierung des ersten Blaswerkzeuges schon während der Herstellung der Preform, d. h., schon während der bei einer Erweichungstemperatur T des thermoplastischen Matrixmaterials durchgeführten Schritte des Preformens und das Ablegens der Halbzeuge, mit Druckgas unter einem Druck p beaufschlagt werden, so dass ein verformter thermoplastischer Hohlstrukturkern erzeugt wird.
Auf den verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern können Verstärkungshalbzeuge mittels Wickeln oder mittels Flechten oder mittels eines anderen Umhüllungsverfahrens zur Ausbildung des verstärkenden Umhüllungsmantels abgelegt werden.
Im Rahmen eines Blasformvorgangs wird der verformte thermoplastische oder nicht verformte thermoplastischen Hohlstrukturkern als Druckblase verwendet und aufgeblasen und dabei bei einer eingestellten Erweichungstemperatur T mittels Druckgas unter einem Druck p gegen die innere Oberfläche des ersten Blasformwerkzeuges oder gegen den bestehenden verstärkenden Umhüllungsmantel und gegen die innere Oberfläche des zweiten Blasformwerkzeuges gepresst, wobei bei der Nutzung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns als Druckblase die Erweichungs- und Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials des thermoplastischen Hohlstrukturkerns mit den Erweichungs- und Schmelztemperatur des Matrixmaterials des verstärkenden Umhüllungsmantels abgestimmt werden, so dass der Hohlstrukturkern im Prozess gasdicht bleibt.
Während des Blasformvorgangs wird der thermoplastische Hohlstrukturkern mit dem verstärkenden Umhüllungsmantel gemeinsam gegen die innere Wandung des zweiten Blasformwerkzeuges gedrückt und hier erfolgt die finale Formgebung als auch die Konsolidierung der verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur.
Bei dem als Druckblase eingesetzten thermoplastischen Hohlstrukturkern wird vor dem Blasformen die endkonturnahe innere Geometrie des thermoplastischen Hohlstrukturkerns an die äußere endkonturfinale Geometrie des herzustellenden Bauteils angepasst, wobei die endkonturfinale Geometrie zumindest der inneren Profilierung des zweiten Blasformwerkzeuges entspricht.
In dem Verfahren wird

• mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens oder eines Spritzgussverfahrens aus vorliegendem thermoplastischem Matrixmaterial zuerst ein hohler Vorformling hergestellt,
• wobei der Vorformling als thermoplastischer Hohlstrukturkern in einem Blasverfahren, einem Biegeverfahren oder einer Kombination aus beiden Verfahren zu dem verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern geformt wird,
• wobei auf den verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern mittels Wickeln oder Flechten oder eines anderen Verstärkungsvorgangs Verstärkungshalbzeuge zur Ausbildung eines verstärkenden Umhüllungsmantels mit thermoplastischem Matrixmaterial abgelegt werden,
• wobei der verformte thermoplastische Hohlstrukturkern zur Stabilisierung der Geometrie schon während des Vorformens mit einem Druck p in dem ersten Blasformwerkzeug sich endkonturnah ausbildend beaufschlagt werden kann,
• wobei im Rahmen des Blasformvorgangs der thermoplastische Hohlstrukturkern als Druckblase genutzt und aufgeblasen sowie hierbei gegen die innere Oberfläche des umgebenden verstärkenden Umhüllungsmantels gepresst wird,
• wobei bei der Nutzung des verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns als Druckblase die Erweichungstemperatur und Schmelztemperatur des thermoplastischen Hohlstrukturkerns mit der Erweichungstemperatur und Schmelztemperatur des Matrixmaterials des verstärkenden Umhüllungsmantels abgestimmt wird, so dass der thermoplastische Hohlstrukturkern gasdicht bleibt, und
• wobei während des jeweiligen Blasformvorgangs der thermoplastische Hohlstrukturkern und der auf dem verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern abgelegte verstärkende Umhüllungsmantel gasdruckbehaftet gemeinsam gegen die innere Wandung des zweiten Blasformwerkzeuges gedrückt werden und hier die Formgebung als auch die Konsolidierung der endkonturfinalen faserverstärkten Kunststoff-Hohlstruktur – FKV – erfolgt.

Bei der Herstellung von FKV-Hohlstrukturen mit Hochtemperatur-Polymeren, PEEK und PEKK im Blasformverfahren können zumindest zwei Hochtemperatur-Thermoplasten mit unterschiedlichen Verarbeitungs- und Schmelztemperaturen eingesetzt werden, wobei der innen befindliche thermoplastische Hohlstrukturkern aus dem Matrixmaterial mit einer höheren Verarbeitungstemperatur hergestellt wird und somit als Druckgasraum für die Herstellung der FKV-Struktur im Blasformverfahren eingesetzt wird, wobei die Verarbeitungstemperaturen an der Erweichungstemperatur des jeweiligen thermoplastischen Matrixmaterials angepasst werden.
Durch Verwendung von zwei Hochtemperatur-Thermoplastmatrixmaterialien mit unterschiedlichen Verarbeitungstemperaturen kann der thermoplastische Hohlstrukturkern aus dem thermoplastischen Matrixmaterial mit der höheren Verarbeitungstemperatur hergestellt werden, dessen Hohlraum als Druckgasraum für die Herstellung der komplexen FTV-Struktur im Blasformverfahren ausgebildet wird.
Die thermoplastische Hohlstruktur kann allein bestehen und expandiert oder auch in Verbindung mit Halbzeugen mit einem faserverstärkten oder bandverstärkten thermoplastischen Umhüllungsmantel belegt und expandiert werden.
Die Konsolidierung der ummantelten thermoplastischen Hohlstruktur zu einem Bauteil erfordert eine Temperatur T zum Aufschmelzen des Matrixmaterials und einen Druck zum Konsolidieren der einzelnen Lagen zu einem Verbund. Beim Blasformverfahren wird der Druck p im Inneren – dem Druckgasraum – des thermoplastischen Hohlstrukturkerns aufgebracht, um den thermoplastischen Hohlstrukturkern gegen die Innenoberfläche der eingesetzten Blasformwerkzeuge zu pressen.
Dabei erfolgt eine Bereitstellung eines verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns, der sowohl als Kern für die Ablage von Faserhalbzeugen mit dem Hintergrund der Erstellung eines verlorenen Kerns als auch als Druckgasraum zur Herstellung endlosfaserverstärkter Hohlstrukturen im Blasformverfahren genutzt wird.
Das Verfahren zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen mit thermoplastischem Matrixmaterial auf thermoplastischen Hohlstrukturen weist im Detail folgende Schritte auf:

• Herstellung eines thermoplastischen Hohlstrukturkerns – Vorformlings – mit einem Hohlraum mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens oder eines Spritzgussverfahrens,
• Einbringen des thermoplastischen Hohlstrukturkerns – Vorformlings – in ein erstes Blasformwerkzeug mit innerer Profilierung, die in profilreduzierter Form des herzustellenden finalen FKV-Struktur-Bauteils entspricht, und Erwärmung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns,
• Beaufschlagen des Druckgasraums des blasformtemperierten Vorformlings und Thermoformen zur Stabilisierung der profilreduzierten Form mit Druckgas,
• Abkühlen des verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns,
• Entnehmen des abgekühlten geformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns aus dem ersten Blasformwerkzeug,
• Ablegen mindestens eines Verstärkungshalbzeuges auf dem abgekühlten geformten thermoplastischen Hohlstrukturkern und Durchführung einer Ummantelung des geformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns mit dem Faserhalbzeug mit thermoplastischem Matrixmaterial,
• Einbringen des verstärkten abgekühlten geformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns in ein zweites Blasformwerkzeug mit einer inneren Profilierung, die der äußeren Geometrie des herzustellenden finalen FKV-Hohlstruktur-Bauteils entspricht,
• Erwärmung des verformten verstärkten thermoplastischen Hohlstrukturkerns auf eine vorgegebene Blasformtemperatur T, wobei die Erweichungs- und Schmelztemperatur des thermoplastischen Hohlstrukturkerns und die Erweichungs- und Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials der angebrachten Verstärkungshalbzeuge aufeinander abgestimmt werden,
• erneute Beaufschlagung des Druckgasraums des verstärkten geformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns im Rahmen eines zweiten Blasformvorgangs und Drücken des Druckgases gegen die Oberfläche des inneren Profils/Werkzeugkontur des zweiten Blasformwerkzeugs,
• Drücken des verstärkten verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns gegen die verstärkende Ummantelung und gemeinsames Drücken von Kern und Umhüllungsmantelung durch Erhöhung des Druckes p des Druckgases im Druckgasraum gegen die innere Wandung des zweiten Blasformwerkzeuges während des zweiten Blasformvorgangs und Durchführung der Formgebung als auch der Konsolidierung der verstärkten Kunststoff-Verbund-Hohlstruktur, wobei während der Konsolidierung eine Verbindung des thermoplastischen Matrixmaterials des Kerns und des thermoplastischen Matrixmaterials des Umhüllungsmantels erfolgen kann,
• Abkühlen der verstärkten Kunststoff-Verbund-Hohlstruktur und deren Konsolidierung als FKV-Hohlstruktur,
• Entnehmen der konsolidierten verstärkten Kunststoff-Verbund-Hohlstruktur aus dem zweiten Blasformwerkzeug.

Das Wesentliche des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Herstellung und Verwendung thermoplastischer Hohlstrukturen weitgehend in Form von Rohren als Kerne mit Druckgasräumen, wobei im Laufe des Verfahrens die Geometrie der thermoplastischen Rohre an die Geometrie des herzustellenden finalen Bauteils angepasst wird.
Gegenüber den Verfahren des Standes der Technik bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass das Vorformen und das Konsolidieren der faserverstärkten Hohlstrukturen mit nur einem Prozesshilfsmittel in Form von Druckgas durchgeführt werden können.
Der Vorformling – Preform – wird also sowohl als Flecht- oder Umhüllungskern als auch als Blaskern eingesetzt.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der im Stand der Technik erforderliche Zwischenarbeitsschritt der Behandlung der Preform und eine Integration einer einzelnen aus elastischem Material bestehenden Druckblase in die Preform entfallen, wobei der Hohlstrukturkern als Blasschlauch und als ummantelter Kern genutzt wird.
Die Verfahrensschritte zur Herstellung der Preform sind etabliert und können vollständig automatisiert durchgeführt werden. Gerade für die Herstellung von Bauteilen mit großen Stückzahlen, bei denen die Investitionskosten für die Werkzeuge zur Herstellung der thermoplastischen Hohlstrukturen nicht mehr so stark ins Gewicht fallen, weist das Verfahren durch den sehr effizienten und weitestgehend automatisierbaren Fertigungsablauf wesentliche finanziellen Einsparungen gegenüber den herkömmlichen Verfahrensvarianten auf.
In dem vorliegenden Verfahren wird zunächst eine unverstärkte thermoplastische Hohlstruktur hergestellt, die sowohl in einem ersten Vorformprozess als thermoplastischer Hohlstrukturkern verwendet werden kann als auch beim darauffolgenden Blasformen als abgeschlossener Druckgasraum verwendet wird.
Einen besonderen Vorteil bei der Herstellung von Hochleistungs-Faser-Kunststoff-Verbunden mit Hochtemperatur-Matrixmaterialen (PEEK, PEKK) haben PEEK und PEKK-Hohlstrukturen.
Bei der Herstellung von Hohlstrukturen mit Hochtemperatur-Polymeren wie PEEK und PEKK im Blasformverfahren sind aus dem Stand der Technik keine geeigneten Materialien für die Verwendung des gesamten Hohlraums der Hohlstrukturen als Druckgasräume bekannt.
Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels Ausführungsbeispielen anhand mehrerer Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
1 Herstellen einer als thermoplastische Hohlstrukturkern ausgebildeten, gegossenen ringförmigen Hohlstruktur in Form eines Vorformlings im Extrusionsverfahren oder Spritzgussverfahren,
2 Herstellen eines verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns, dessen Hohlraum erfindungsgemäß als Druckgasraum dient, aus dem erwärmten thermoplastischen Hohlstrukturkern mittels eines ersten Blasformens, das innerhalb einer vorgegebenen inneren Profilierung eines ersten Blasformwerkzeuges durchgeführt wird,
3 endkonturnahes Ablegen von mit thermoplastischen Matrixmaterial umhüllten Fasern – Tapes oder Hybridgarnen – auf den thermoplastischen Hohlstrukturkern mittels eines Flechtrades mit Faserspindeln zur Ausbildung einer verstärkenden Umhüllung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns,
4 zweites Blasformen des mit einer vorgegebenen Erweichungstemperatur erwärmten, faser-thermoplast-umhüllten verstärkten, verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns unter Verwendung des erfindungsgemäß als Druckgasraum dienenden Hohlraums des faserverstärkten thermoplastischen Hohlstrukturkerns,
5 aus dem zweiten Blasformwerkzeug entfernte finale FKV-Hohlstruktur als Bauteil mit einer Vereinigung des Matrixmaterials der verstärkenden Umhüllung und des Matrixmaterials des verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns,
6 Herstellen eines im Extrusionsverfahren oder Spritzgussverfahren erzeugten gebogenen thermoplastischen Hohlstrukturkerns aus dem hohlen Vorformling mittels Biegen als zweites Ausführungsbeispiel,
7 Herstellen eines endkonturnah verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns, dessen Hohlraum erfindungsgemäß als Druckgasraum dient, aus dem erwärmten thermoplastischen Hohlstrukturkern mittels eines ersten Blasformens, das innerhalb einer vorgegebenen inneren Profilierung eines ersten Blasformwerkzeuges durchgeführt wird,
8 Ablegen der mit thermoplastischen Matrixmaterial umhüllten Fasern und/oder von thermoplastischen Tapes auf den abgekühlten gebogenen thermoplastischen Hohlstrukturkern mittels eines Flechtrades mit Spindeln mit Fasern, die mit thermoplastischem Matrixmaterial umhüllt sind,
9 ein zweites Blasformen der FKV-Hohlstruktur unter Verwendung des als Druckblase dienenden gebogenen thermoplastischen Hohlstrukturkerns und
10 eine endkonturfinale FKV-Hohlstruktur als gebogenes Bauteil mit thermoplastischem Matrixmaterial vereinigt und thermoplastmaterialvermischt mit thermoplastischer Hohlstruktur.
Das in den 1 bis 5 schematisch dargestellte Verfahren zur Herstellung einer ersten FKV-Hohlstruktur 27 mit thermoplastischem Matrixmaterial weist folgende Schritte auf:

• Herstellung 19 eines hohlen, als Rohr oder Schlauch ausgebildeten thermoplastischen Vorformlings 1 gemäß 1 mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens aus einem Extruder 2, wobei der Vorformling 1 in waagerechter Richtung bewegt wird, wobei der thermoplastische Vorformling 1 im weiteren Verlauf des Blasformverfahrens als thermoplastischer Hohlstrukturkern bezeichnet und eingesetzt wird,
• Einbringen 20 des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 in ein erstes Blasformwerkzeug 14 mit innerer Profilierung 16,
• Verformen 21 des durch Beaufschlagung des Hohlstrukturkerns 1 mit Druckluft über die Eingangsöffnung 6 zur Stabilisierung der Geometrie schon während des Verformens 21 mit einem im Hohlraum 31 des thermoplastischen Vorformlings 1 erzeugten Druck p mittels eingeleiteter Druckluft gemäß 2 zur Erzeugung eines verformten Hohlstrukturkerns 11 bei der Erweichungstemperatur T des Thermoplastmaterials, wobei sich der verformte thermoplastische Hohlstrukturkern 11 in dem ersten Blasformwerkzeug 14 befindet, wobei vor der Nutzung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 als Druckgasraum die Erweichungstemperatur und Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 mit der Erweichungstemperatur und Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials der Verstärkungshalbzeuge 7 vorab abgestimmt werden, wobei infolge des Blasformverfahrens aus dem rohrartig geformten, thermoplastischen Vorformling 1 schließlich der verformte thermoplastische Hohlstrukturkern 11 erzeugt wird,
• Ablegen 22 von Verstärkungshalbzeugen 7 in Form von thermoplastisches Matrixmaterial aufweisenden Halbzeugen auf den druckluftbehandelten thermoplastischen Hohlstrukturkern 11, wobei das Ablegen 22 der Verstärkungshalbzeuge 7 auf den thermoplastischen Hohlstrukturkern 11 zu einem verstärkenden Umhüllungs- oder Wickelmantel 12 mittels Umhüllen bzw. Wickeln gemäß 3 oder mittels Flechten von Verstärkungshalbzeugen 7 in Form von faserverstärktem thermoplastischem Matrixmaterial von einem Flechtrad 8 zur Ausbildung herab endkonturnah durchgeführt wird,
• Einbringen des mit dem Wickelmantel 12 ummantelten Hohlstrukturkerns 11 in Form einer ummantelt verstärkten Hohlstruktur 9 in das zweite Blasformwerkzeug 17,
• Beaufschlagung 23 des verstärkten thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11 im zweiten Blasformwerkzeug 17 mit Druckgas durch Einlassen von Druckgas in den Druckgasraum/Hohlraum 31 über die Eingangsöffnung 6 gemäß 4 im Rahmen eines als Blasformvorgang und Pressen des Gases im Hohlraum 31 gegen die innere Oberfläche 34 des verstärkten thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11, wobei das erweichte thermoplastische Matrixmaterial des Hohlstrukturkerns 11 derart an oder optional in das vorzugsweise geschmolzene thermoplastische Matrixmaterial des Umhüllungsmantels 12 gepresst wird, dass ein materialvermischter oder grenzflächenverklebter Verbund der beiden thermoplastischen Matrixmaterialien bei der eingestellten Temperatur im zweiten Blasformwerkzeug 17 erfolgt, wobei die äußere Kontur der finalen verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur 26 der Innenoberfläche des Gasraumes 32 des zweiten Blasformwerkzeuges 17 entspricht und die restliche Luft im Gasraum 32 aus dem Gasraum 32 über mindestens einen Luftkanal 28 entweicht,
• Entnahme 24 der endkonturfinalen faser- oder tapesverstärkten Kunststoff-Verbund-Hohlstruktur 26 aus dem zweiten Blasformwerkzeug 17 nach Aushärtung des thermoplastischen Matrixmaterials/der thermoplastischen Matrixmaterialien unterhalb der Blasformtemperatur T.

Die Blasformtemperatur T stellt die für die Durchführung des Blasformens erforderliche eingestellte Temperatur in dem jeweiligen Blasformwerkzeug 14 und 17 dar, wobei die eingestellte Blasformtemperatur T an der Erweichungstemperatur bzw. Schmelztemperatur des eingesetzten thermoplastischen Matrixmaterials/der eingesetzten thermoplastischen Matrixmaterialien orientiert wird.
Der Verbund der beiden thermoplastischen Matrixmaterialien bei der eingestellten Temperatur T im zweiten Blasformwerkzeug 17 kann bei der Druckgasbeaufschlagung eine Vermischung der beiden thermoplastischen Matrixmaterialien oder eine randseitige Verklebung der zueinander gerichteten Grenzflächen der beiden thermoplastischen Matrixmaterialien sein, je nach Höhe der eingestellten Erweichungstemperatur oder Schmelztemperatur der beiden gleichen oder unterschiedlichen thermoplastischen Matrixmaterialien.
Zumindest der thermoplastische Vorformling 1 und/oder der verstärkte thermoplastische Hohlstrukturkern 11 als jeweilige Preforme werden somit erfindungsgemäß anstelle der als expandierender Kern ausgebildeten Druckblase 5 oder eines als expandierender Kern ausgebildeten Druckschlauches gemäß dem Stande der Technik als expandierender thermoplastischer Hohlstrukturkern eingesetzt.
Dabei zeigen die 1 bis 5 die folgenden Schritte:
In 1 wird im Schritt 19 das Herstellen einer als erfindungsgemäß einsetzbarer thermoplastischer Hohlstrukturkern 1 gegossenen thermoplastischen Hohlstruktur – Vorformling 1 – im Extrusionsverfahren oder Spritzgussverfahren gezeigt.
Die 2 zeigt im Schritt 20 das Einbringen des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 in das Blasformwerkzeug 14 und im Schritt 21 das Herstellen eines verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11, dessen Hohlraum 31 erfindungsgemäß als Druckgasraum dient, dem über die Eingangsöffnung 6 Druckluft mit dem Druck p zugeführt wird. Aus dem erwärmten thermoplastischen Hohlstrukturkern 1 wird mittels eines ersten Blasformvorgangs innerhalb des Hohlraums 33 des Blasformwerkzeuges 14 mit einer vorgegebenen inneren Profilierung/Innenoberfläche 16 in dem Blasformwerkzeug 14 durchgeführt und der thermoplastische Hohlstrukturkern 11 ausgebildet.
Im Bereich der Eingangsöffnung 6 kann sich ein Abdichtelement (nicht eingezeichnet) befinden.
Über mindestens einen im ersten Blasformwerkzeug 14 befindlichen Luftkanal 28 kann während des Blasformvorgangs die Luft aus dem Gasraum 33 zwischen der Innenwandung des Blasformwerkzeugs 14 und der Außenfläche des Hohlstrukturkerns 1, 11 entweichen.
In 3 wird im Schritt 22 das Ablegen von mit Thermoplastmaterial ummantelten Fasern 7 und/oder von thermoplastischen Bändern (Tapes) auf den verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern 11 mittels eines Flechtrades 8 mit Faserspindeln 15 zur Ausbildung einer verstärkenden Ummantelung 12 auf dem thermoplastischen Hohlstrukturkern 11 dargestellt, wobei ein ummantelt verstärkter Hohlstrukturkern 9 erzeugt wird. Damit kontaktieren der Hohlstrukturkern 9 und der Umhüllungsmantel 12 miteinander.
In der 4 ist im Schritt 23 der ummantelt verstärkte Hohlstrukturkern 9 in einem zweiten Blasformwerkzeug 17 eingebracht und es wird ein zweites Blasformen des mit erwärmten, faser-thermoplast-ummantelten verstärkten, verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns 9 unter Verwendung des erfindungsgemäß als Druckgasraum dienenden Hohlraums 31 des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11 angegeben. Über mindestens einen im zweiten Blasformwerkzeug 17 befindlichen Luftkanal 28 kann während des zweiten Blasformvorgangs die Luft aus dem Gasraum zwischen der Innenfläche des Blasformwerkzeugs 17 und der Außenfläche des Umhüllungsmantels 12 entweichen.
Die 5 zeigt als Schnitt 24 die aus dem zweiten Blasformwerkzeug 17 entfernte, abgekühlte und ausgehärtete, finale FKV-Hohlstruktur 26 als Bauteil mit einer Vereinigung des thermoplastischen Matrixmaterials des verformten thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11 und des thermoplastischen Matrixmaterials des verstärkenden Wickelmantels 12. Kern 11 und Mantel 12 bilden dann eine Einheit in Bezug auf das gemischte thermoplastische Matrixmaterial.
Das in den 1 und 6 bis 10 schematisch dargestellte Verfahren zur Herstellung einer weiteren FKV-Hohlstruktur 27 als zweites Bauteil mit thermoplastischem Matrixmaterial weist folgende Schritte auf:

• Herstellung 19 eines hohlen, als Rohr oder Schlauch ausgebildeten thermoplastischen Vorformlings 1 gemäß 1 mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens oder eines Spritzgussverfahrens aus einem Extruder 2, wobei der Vorformling 1 vorzugsweise in waagerechter Richtung bewegt wird, wobei der thermoplastische Vorformling 1 im weiteren Verlauf des Blasformverfahrens als thermoplastischer Hohlstrukturkern eingesetzt wird,
• Verformen 25 des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 in einem als zweites in 6 ausgewiesenes Vorformen dargestellten Biegeverfahren mittels eines Biegewerkzeugs 3 und eines Biegehebels 4,
• Einbringen des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 in ein erstes Blasformwerkzeug 14 mit innerer Profilierung 16, wobei das erste Blasformwerkzeug 14 der Biegung dem thermoplastischen Hohlstrukturkern 1 angepasst ist,
• Verformen 21 des durch Beaufschlagung des Hohlstrukturkerns 1 mit Druckluft über die Eingangsöffnung 6 zur Stabilisierung der Geometrie mit einem im Hohlraum 31 des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 erzeugten Druck p mittels eingeleiteter Druckluft gemäß 7 zur Erzeugung eines verformten Hohlstrukturkerns 11, wobei sich der thermoplastische Hohlstrukturkern 11 in dem ersten Blasformwerkzeug 14 befindet, wobei vor der Nutzung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 als Druckgasraum die Erweichungs- und Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 1 mit der Erweichungs- und Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials der Verstärkungshalbzeuge 7 abgestimmt werden, wobei infolge des Blasformverfahrens aus dem thermoplastischen Vorformling 1 schließlich der verformte thermoplastische Hohlstrukturkern 11 erzeugt wird,
• endkonturnahes Ablegen 22 von Verstärkungshalbzeugen 7 in Form von thermoplastisches Matrixmaterial aufweisenden Halbzeugen auf den druckluftbehandelten thermoplastischen Vorformlingskern 11, wobei das Ablegen 22 der Verstärkungshalbzeuge 7 auf den thermoplastischen Hohlstrukturkern 11 zu einem verstärkenden Wickelmantel 12 beispielsweise mittels Wickeln gemäß 8 oder mittels Flechten von Verstärkungshalbzeugen 7 in Form von tapes- und/oder faserverstärktem thermoplastischen Matrixmaterial von einem Flechtrad 8 herab durchgeführt wird, wobei der ummantelt verstärkte Hohlstrukturkern 9 entsteht,
• Einbringen des mit dem Umhüllungsmantel 12 ummantelten Hohlstrukturkerns 11 in Form einer verstärkten Hohlstruktur 9 in das zweite Blasformwerkzeug 17 gemäß 9 und
• Beaufschlagung 23 der verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur 9 bei einer eingestellten Blasformtemperatur mit Druckluft im zweiten Blasformwerkzeug 17 durch Einlassen von Druckluft in den Druckgasraum 31 über die Eingangsöffnung 6 gemäß 9 im Rahmen eines als Blasformvorgang und Pressen des Gases/der Luft im Hohlraum 31 gegen die innere Oberfläche 34 des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11 zu einer finalen verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur 27 gemäß 10, wobei das thermoplastische Matrixmaterial des Hohlstrukturkerns 11 derart an und in das thermoplastische Matrixmaterial des Umhüllungsmantels 12 vermischend oder verbindend gepresst wird, dass ein Verbund der beiden thermoplastischen Matrixmaterialien bei der eingestellten Temperatur T im zweiten Blasformwerkzeug 17 erfolgt, wobei die äußere Kontur des Verbundes der Innenoberfläche des Gasraumes 32 des zweiten Blasformwerkzeuges 17 entspricht und die im Gasraum 32 vorhandene restliche Luft des zweiten Blasformwerkzeuges 17 über mindestens einen Luftkanal 28 entweichen kann,
• Entnahme 24 der finalen faserverstärkten Kunststoff-Verbund-Hohlstruktur – FKV – 27 nach Aushärtung des thermoplastischen Matrixmaterials aus dem zweiten Blasformwerkzeug 17 bei einer Temperatur unterhalb der Blasformtemperatur.

Beim Aufblasen durch Beaufschlagung mit Druckluft zur Erzeugung einer verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur 9 wird während des Blasformvorgangs der auch als Kunststoffschlauch definierte thermoplastische Hohlstrukturkern 1 und der auch als abgelegte faserverstärkte thermoplastische Belagstruktur bezeichnete Verstärkungsschlauch 12 gemeinsam gegen die innere Wandung des zweiten Blasformwerkzeuges 17 geblasen und gepresst. Hierdurch erfolgt die finale Formgebung bei gleichzeitiger Vermischung der Matrixmaterialien als auch die Konsolidierung der faserverstärkten Kunststoff-Verbund-Hohlstruktur (FKV-Hohlstruktur) 26, 27 gemäß 6 oder 10.
Zu den einzelnen Figuren des zweiten Ausführungsbeispiels:
In 1 wird das Herstellen 19 des erfindungsgemäßen thermoplastischen Hohlstrukturkerns als Vorformling 1 im Extrusionsverfahren oder im Spritzgussverfahren mittels eines Extruders 2 gezeigt.
Danach kann durch Verformen 21 aus dem Vorformling 1 mittels Biegen gemäß 6 der weiter verwendbare gebogene thermoplastische Hohlstrukturkern 1 ausgebildet werden.
In 7 wird das Herstellen durch Verformen einer nach 6 gebogenen thermoplastischen Hohlstruktur 1 mittels Blasformen in einem ersten Blasformwerkzeug 14 gezeigt, wobei endkonturnah die Innenwandung 16 des ersten Blasformwerkzeuges 14 weitgehend der äußeren Geometrie des finalen Bauteils 27 entspricht.
In 8 wird das Ablegen 22 von mit thermoplastischem Matrixmaterial ummantelten Fasern 7 oder Tapes 7 auf dem thermoplastischen Hohlstrukturkern 11 mittels eines feststehenden Flechtrades 8 gezeigt, wobei die Hohlstruktur 11 vom Flechtrand 8 wegbewegt wird. Dabei entsteht der Umhüllungsmantel 12 oder Wickelmantel.
In 9 wird durch Beaufschlagung 23 mit Druckgas das Blasformen einer verstärkten Hohlstruktur 9 unter Verwendung des verstärkten thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11 und des Wickelmantels 12 als Druckgasraum 31 in dem zweiten Blasformwerkzeug 17 bei einer eingestellten Blasformtemperatur T dargestellt.
In 10 wird gemäß der 1 und 6 bis 9 als Ergebnis des Verfahrens zur Herstellung eine FKV-Hohlstruktur mit thermoplastischer Matrix auf thermoplastischer Hohlstruktur die entstandene finale FKV-Hohlstruktur 27 gezeigt.
Auch in den 7 und 9 können über mindestens einen im Blasformwerkzeug 14 und 17 befindlichen Luftkanal 28 während der Blasformvorgänge die Luft aus dem jeweiligen Gasraum zwischen der Innenfläche des Blasformwerkzeuges 14 und 17 und der Außenfläche des ummantelten Hohlstrukturkerns entweichen.
Das Wesentliche des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Herstellung und Verwendung thermoplastischer Rohre/Schläuche/Kerne 1 selbst als Druckgasräume 31, wobei die Außenkontur-Geometrie der thermoplastischen Rohre/Schläuche 1 weitgehend, also endkonturnah, an die Innenkontur-Geometrie des herzustellenden finalen Bauteils 26, 27 angepasst ist.
Je nach Biegungsprofilierung des finalen Bauteils können die zusammengehörenden Blasformwerkzeuge 14 und 17 unterschiedlich ausgebildet sein.
Gegenüber den herkömmlichen Verfahren bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Vorformprozesse und das Konsolidieren der faserverstärkten Hohlstrukturen 9 mit einem Prozesshilfsmittel in Form von Gas mit dem Druck p aus einem Druckgasraum 31 in Verbindung mit der der Temperaturabhängigkeit der thermoplastischen Eigenschaft von thermoplastischem Matrixmaterial durchgeführt werden können.
Der Zwischenarbeitsschritt der Einführung flexibler Rohre 1/Schläuche als expandierender Kerns 1 in Form der Integration einer zusätzlichen Druckblase 5/eines Druckschlauches in den thermoplastischen Kern 1 ist im erfindungsgemäßen Verfahren nicht vorhanden. Im Gegenteil, der thermoplastische Hohlstrukturkern 1 wird selbst als gasdichte Druckblase verwendet und kann bei eingestelltem vorgegebenem Erwärmen bzw. bei Einstellung einer Erweichungstemperatur oder Schmelztemperatur zumindest mit einem Teil seines Matrixmaterials in das Matrixmaterial des Umhüllungsmantels 12 gepresst werden oder verbindend verklebt werden.
Die Verfahrensschritte zur Herstellung des thermoplastischen Kerns 1 sind etabliert und können vollständig automatisiert durchgeführt werden. Gerade für die Herstellung von in 5 und 10 dargestellten Bauteilen 26, 27 mit großen Stückzahlen, bei denen die Investitionskosten für die Werkzeuge 14, 17 zur Herstellung der thermoplastischen Kerns 1 nicht mehr so stark ins Gewicht fallen, verspricht das erfindungsgemäße Verfahren durch den sehr effizienten und weitestgehend automatisierbaren Fertigungsablauf wesentliche finanziellen Einsparungen gegenüber herkömmlichen Prozessvarianten.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf hohle, komplex geformte Strukturen 9, die vor allem nicht, aber ausschließlich so ausgeführt sind, dass starre nichtthermoplastische Kerne aus dem Inneren der Struktur auf Grund von Hinterschnitten nicht entformt werden können.
Zur Herstellung derartiger verstärkter Hohlstrukturen 9 eignen sich mit thermoplastischem Matrixmaterial vorgemischte oder vorkonsolidierte Halbzeuge 7 wie Hybridgarne oder thermoplastische Bänder (Tapes), bei denen thermoplastisches Matrixmaterial und thermoplastisches Fasermaterial bereits im Halbzeug 7 örtlich nah zusammengebracht werden.
Beim Blasformverfahren wird der thermoplastische Hohlstrukturkern 1 in das verschließbare innenprofilierte, formstabile erste Blasformwerkzeug 14 eingelegt. Im Inneren des thermoplastischen Kerns 1 befindet sich der als Druckgasraum 31 ausgebildete Hohlraum mit einem Druckanschluss 6 als Eingangsöffnung. Das erste Blasformwerkzeug 14 wird zusammen mit dem thermoplastischen Kern 1 und dem darin befindlichen Druckgasraum 31 auf eine Temperatur T oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials erwärmt. Durch Beaufschlagung des Druckgasraums 31 mit Druck wird der thermoplastische Kern 1 von innen gegen die Innenwandung 16 des ersten Blasformwerkzeuges 14 gedrückt.
Derartige Halbzeuge 7 werden in einem Vorformprozess – einem Preformprozess – (z. B. Flechten, Wickeln) auf einem thermoplastischen Hohlstrukturkern 1 abgelegt. Die Verarbeitung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11 in eine konsolidierte Hohlstruktur 27 kann in einem zweiten Ausführungsbeispiel im Blasformverfahren gemäß der 6 bis 10 erfolgen.
Dabei wird die ummantelt faserverstärkte Hohlstruktur 9 in das Blasformwerkzeug 17 zur Herstellung der mit den Fasern oder Tapes verstärkten Hohlstruktur 12 als Umhüllungsmantel eingelegt.
Die einzelnen mit den Fasern oder Tapes ausgebildeten Lagen des verstärkenden thermoplastischen Umhüllungsmantels 12 werden zu einer verstärkten Thermoplast-Verbund-Hohlstruktur 26, 27 konsolidiert. Unter Aufrechterhaltung des Prozessdrucks p werden das zweite Blasformwerkzeug 17 und die entstandene verstärkte Thermoplast-Verbund-Hohlstruktur 26, 27 unter die Erstarrungstemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials abgekühlt. Nach Erstarren des thermoplastischen Matrixmaterials kann das zweite Blasformwerkzeug 17 geöffnet, das finale Bauteil 26, 27 entnommen werden.
In dem vorliegenden Verfahren wird zunächst ein unverstärkter thermoplastischer Hohlstrukturkern 1 hergestellt, der sowohl im Vorformprozess als Hohlstrukturkern 1 verwendet als auch beim darauf folgenden Blasformen als Hohlstruktur 11 mit einem Druckgasraum 31 verwendet werden kann.
Die hier als zwei Ausführungsbeispiele beschriebenen FTV-Hohlstrukturen 26, 27 mit thermoplastischem Matrixmaterial sind ein Teil der FKV-Hohlstrukturen, deren Kunststoff zumindest ähnliche Materialeigenschaften wie thermoplastisches Material aufweist.
Einen besonderen Vorteil bei der Herstellung von Hochleistungs-Faser-Kunststoff-Verbunden mit Hochtemperatur-Matrixmaterialen (z. B. PEEK, PEKK) haben PEEK und PEKK-Hohlstrukturen.
Bei der Herstellung von komplexen Hohlstrukturen 26, 27 mit Hochtemperatur-Polymeren wie PEEK und PEKK im Blasformverfahren sind aus dem Stand der Technik keine geeigneten Materialien für die Druckgasräume bekannt. Durch Verwendung von zwei Hochtemperatur-Thermoplasten mit unterschiedlichen Verarbeitungstemperaturen kann die komplexe thermoplastische Hohlstruktur aus dem Thermoplastmaterial mit der höheren Verarbeitungstemperatur hergestellt werden und ist somit erfindungsgemäß als Druckgasraum zur Herstellung der FKV-Hohlstruktur 26, 27 im Blasformverfahren geeignet.
Bezugszeichenliste

1: Vorformling als thermoplastischer Hohlstrukturkern
2: Extruder
3: Biegewerkzeug
4: Biegehebel
6: Eingangsöffnung
7: Halbzeuge/mit thermoplastischen Matrixmaterial umwickelte Bänder/mit thermoplastischen Matrixmaterial ummantelte Fasern/Hybridgarne
8: Flechtrad
9: ummantelt verstärkte Hohlstruktur/ummantelt verstärkte Preform
11: verformter thermoplastischer Hohlstrukturkern nach erstem Blasformen
12: Umhüllungsmantel mit thermoplastischen Matrixmaterial und zumindest Verstärkungsmaterial aufweisendem Halbzeug/Verstärkungsschlauch
14: erstes Blasformwerkzeug für thermoplastische Hohlstrukturkern
15: Spindeln für Fasern oder Bänder/für Ummantelungshalbzeuge
16: Innenwandung des Hohlraums im Blasformwerkzeug/innere Profilierung/Innenkontur
17: zweites Blasformwerkzeug für FKV-Verbunde
19: Herstellen
20: Einbringen
21: Verformen
22: Ablegen von Halbzeugen
23: Beaufschlagung mit Druckgas
24: Entnahme
25: Biegen
26: erstes Bauteil als FKV-Verbund
27: zweites Bauteil als FKV-Verbund
28: Luftkanal
29: Druckgasleitung
31: Hohlraum
32: Gasraum/Hohlraum des zweiten Blaswerkzeugs 17
33: Gasraum/Hohlraum des ersten Blasformwerkzeugs 14
34: innere Oberfläche des thermoplastischen Hohlstrukturkerns 11

Claims

Verfahren zur Herstellung von FKV-Hohlstrukturen mit thermoplastischem Matrixmaterial auf expandierendem Kern innerhalb eines Blasformwerkzeuges mit innerer Profilierung, dadurch gekennzeichnet, dass der expandierende Kern als ein bei einer eingestellten, das thermoplastische Material betreffenden Erweichungstemperatur und Blasformtemperatur T druckgasbeaufschlagbarer verformbarer thermoplastischer Hohlstrukturkern (1, 11) ausgebildet wird, der mit einem ummantelnden und verstärkenden Umhüllungsmantels (12) zumindest aus thermoplastischem Matrixmaterial und Verstärkungsfasern (7) endkonturnah überzogen wird, wobei der thermoplastische Hohlstrukturkern (1, 11) einen hohlstrukturinneren Hohlraum (31) aufweist, wobei der Hohlraum (31) des in das mit innerer Profilierung (16) ausgestatteten ersten Blasformwerkzeug (14) eingebrachten expandierbaren thermoplastischen Hohlstrukturkerns (1, 11) als ein mit einem Druckgas p beaufschlagbarer Druckraum ausgebildet wird, durch dessen Druckgasbeaufschlagung der thermoplastische Hohlstrukturkern (1, 11) mit dem ummantelnden verstärkenden Umhüllungsmantel (12) der inneren Profilierung (16) eines zweiten Blasformwerkzeuges (17) endkonturfinal bei einer eingestellten Erweichungstemperatur oder Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials des Hohlstrukturkerns (1, 11) angepasst verpresst wird und das thermoplastische Matrixmaterial des expandierenden Hohlstrukturkerns (1, 11) mit dem thermoplastischen Matrixmaterial des Umhüllungsmantels (12) sich vermischend und/oder verbindend zu einer endkonturfinal entstehenden profilierten verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur (9) in Form der FKV-Hohlstruktur (26, 27) durch Abkühlung unterhalb der Blasformtemperatur T konsolidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens oder eines Spritzgussverfahrens aus thermoplastischem Matrixmaterial ein hohler Vorformling (1) nach dem Umformen mittels Aufblasen oder Biegen in Form eines thermoplastischen Hohlstrukturkerns hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Vorformling (1) in einem Blasverfahren, einem Biegeverfahren oder einer Kombination aus beiden Verfahren zu einem thermoplastischen Hohlstrukturkern (1, 11) geformt wird, wobei die Außenkontur des thermoplastischen Hohlstrukturkerns (1, 11) an die Innenkontur (16) des finalen Bauteils (26, 27) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Hohlstrukturkern (1) zur Stabilisierung der Geometrie in Bezug auf die innere Profilierung (16) eines ersten Blaswerkzeuges (14) schon während der bei einer Erweichungstemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials durchgeführten Schritte des Preformens und des Ablegens der Halbzeuge mit Druckgas unter einem Druck p beaufschlagt wird, so dass ein verformter thermoplastischer Hohlstrukturkern (11) erzeugt und die Geometrie des Hohlstrukturkerns gestützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen eines Blasformvorgangs der erweichte thermoplastische Hohlstrukturkern (1, 11) als Druckblase aufgeblasen und dabei bei einer eingestellten Erweichungstemperatur mittels Druckgas unter einem Druck p gegen die innere Oberfläche (31) des ersten Blasformwerkzeuges (14) oder gegen den bestehenden Umhüllungsmantel (12) und gegen die innere Oberfläche (16) des zweiten Blasformwerkzeuges (17) gepresst wird, wobei bei der Nutzung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns (11) als Druckblase die Erweichungs- und Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials des thermoplastischen Hohlstrukturkerns (11) mit der Erweichungs- und Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials des Umhüllungsmantels (12) abgestimmt werden, so dass der Hohlstrukturkern (1, 11) im Prozess gasdicht bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern (1, 11) die Verstärkungshalbzeuge (7) mittels Wickeln oder Flechten in Form des verstärkenden Umhüllungsmantels (12) endkonturnah abgelegt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Blasformvorgangs der thermoplastische Hohlstrukturkern (11) mit dem verstärkenden Umhüllungsmantel (12) gemeinsam gegen die innere Wandung (16) des zweiten Blasformwerkzeuges (17) gedrückt wird und hierdurch die finale Formgebung als auch die Konsolidierung der verstärkten thermoplastischen Hohlstruktur (26, 27) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem als Druckblase eingesetzten thermoplastischen Hohlstrukturkern (1, 11) vor dem Blasformen die endkonturnahe äußere Geometrie des verstärkten thermoplastischen Hohlstrukturkerns (11) an die endkonturfinale Geometrie des herzustellenden Bauteils (26, 27) angepasst wird, wobei als endkonturfinale Geometrie zumindest die innere Profilierung (16) des zweiten Blaswerkzeuges (17) ausgewiesen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, • dass mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens oder eines Spritzgussverfahrens aus thermoplastischem Matrixmaterial der hohle Vorformling (1) hergestellt wird, • wobei der Vorformling (1) als thermoplastischer Hohlstrukturkern in einem Blasverfahren, einem Biegeverfahren oder einer Kombination aus beiden Verfahren zu dem verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern (11) geformt wird, • wobei auf den verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern (11) mittels Wickeln oder Flechten Verstärkungshalbzeuge (7) in Form des verstärkenden Umhüllungsmantels (12) mit thermoplastischem Matrixmaterial und Verstärkungsfasern endkonturnah abgelegt werden, • wobei der thermoplastische Hohlstrukturkern (11) zur Stabilisierung der Geometrie schon während des Vorformens mit einem Druck p in dem ersten Blasformwerkzeug (14) bei einer eingestellten Blasformtemperatur T beaufschlagt werden kann, • wobei im Rahmen des Blasformvorgangs der thermoplastische Hohlstrukturkern (11) als Druckblase aufgeblasen und hierbei gegen die innere Oberfläche (34) des thermoplastischen Hohlstrukturkerns (11) gepresst wird, • wobei bei der Nutzung des thermoplastischen Hohlstrukturkerns (11) als Druckblase die Erweichungs- und Schmelztemperatur des thermoplastischen Hohlstrukturkerns (1, 11) und die Erweichungs- und Schmelztemperatur des thermoplastischen Matrixmaterials des verstärkenden Umhüllungsmantels (12) abgestimmt werden, und • wobei während des jeweiligen Blasformvorgangs der thermoplastische Hohlstrukturkern (1, 11) und der auf dem verformten thermoplastischen Hohlstrukturkern (11) abgelegte verstärkende Umhüllungsmantel (12) gemeinsam gegen die innere Wandung (16) des zweiten Blasformwerkzeuges (17) gedrückt werden und hierdurch die Formgebung als auch die Konsolidierung der endkonturfinalen verstärkten Kunststoff-Hohlstruktur (26, 27) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Hochleistungs-Faser-Kunststoff-Verbunde (26, 27) mit Hochtemperatur-Matrixmaterialen (PEEK, PEKK) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung von FKV-Hohlstrukturen (26, 27) im Blasformverfahren zumindest zwei Hochtemperatur-Thermoplastmatrixmaterialien mit unterschiedlichen Verarbeitungstemperaturen eingesetzt werden, wobei der innen befindliche thermoplastische Hohlstrukturkern (11) aus dem thermoplastischen Matrixmaterial mit einer höheren Verarbeitungstemperatur hergestellt wird und somit als Druckgasraum (31) für die Herstellung der FKV-Struktur (26, 27) im Blasformverfahren eingesetzt wird, wobei die Verarbeitungstemperaturen an der Erweichungstemperatur und/oder der Schmelztemperatur des jeweiligen thermoplastischen Matrixmaterials angepasst werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung von FKV-Hohlstrukturen (26, 27) Hochtemperatur-Polymere, PEEK und PEKK, P6, P66 eingesetzt werden.