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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Insertsystem zum Anordnen an einem Vorformling aus Fasergewebe, wobei das Insert einen Halteabschnitt zum Fixieren des Inserts an dem Vorformling und einen Funktionsabschnitt aufweist, sowie ein Verfahren zum Abdichten eines Inserts gegenüber einem Vorformling, wie z. B. einem Vorformling eines Faserverbundbauteils.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl unterschiedlicher Faserverbundbauteile sowie Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen hinlänglich bekannt. Faserverbundbauteile finden auf vielen Gebieten der Technik Einsatz und haben sich insbesondere wegen ihrer hohen Steifigkeit bei geringer Dichte sowie hohen Belastbarkeit vor allem in der Leichtbauweise im Fahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrt durchgesetzt.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind faserverstärkte Kunststoffe, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK; umgangssprachlich häufig als Carbon bezeichnet) bekannt, welche sich aufgrund ihrer hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit hervorragend als Leichtbauwerkstoff eignen. Faserverbundbauteile bestehen grundsätzlich aus einem Verbund von zwei Werkstoffen, wobei ein Werkstoff faserförmig und der andere Werkstoff als Matrixwerkstoff ausgebildet ist. Der Matrixwerkstoff ist zwischen den Fasern angeordnet. Als Matrixwerkstoff weisen Faserverbundbauteile in der Regel eine Kunststoffmatrix, beispielsweise eine thermoplastische oder duroplastische Matrix, auf.
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Sofern keine vorimprägnierten Materialien zur Anwendung kommen, ist ein faserverstärktes Bauteil mittels folgender Prozessschritte herstellbar. In einem ersten Schritt werden trockene textile Faserhalbzeuge zu einem Vorformling, der auch Preform genannt wird, verarbeitet. Hierfür werden die trockenen Faserhalbzeuge durch entsprechendes Zuschneiden konfektioniert und zu einer flächigen und/oder zum Teil komplexen, einer Bauteilendkontur angepassten, Faserstruktur bzw. einem Fasergewebe angeordnet. Für diesen ersten Prozessschritt werden häufig aus der Textiltechnik stammende, aber auch auf der Klebetechnologie basierende Verfahren verwendet. In einem zweiten Schritt wird der Vorformling in ein Werkzeug, wie z. B. ein Imprägnierwerkzeug, eingelegt und zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Infiltration bzw. als Imprägnierung bezeichnet. Bei der Imprägnierung wird eine viskose Kunststoffmatrix mittels eines Druckgefälles in den Vorformling eingebracht. Die Kunststoffmatrix füllt bei der Imprägnierung Faserzwischenräume des Vorformlings und verbindet somit benachbarte Fasern miteinander. In einem dritten, der Imprägnierung folgenden Schritt wird das Faserverbundbauteil ausgehärtet. Dies erfolgt durch Wärmezufuhr im Werkzeug, beispielsweise in einem entsprechenden Ofen. Nach der Aushärtung wird das Faserverbundbauteil in einem vierten Schritt aus dem Werkzeug entformt. Bei duroplastischen Matrixwerkstoffen ist ein Umformen des Faserverbundbauteils nach dem Aushärten nicht mehr möglich. In einem fünften Schritt wird das ausgehärtete Faserverbundbauteil einer Nachbearbeitung unterzogen. Bei der Nachbearbeitung werden beispielsweise Durchführungen und Löcher für Befestigungsmittel in das Faserverbundbauteil eingebracht. Dies erfolgt z. B. durch spanende Verfahren, wie z. B. Fräsen oder Bohren sowie Wasserstrahl- oder Laserschneidverfahren.
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Des Weiteren ist es bekannt, zur Ausbildung von Funktionsabschnitten eines Faserverbundbauteils, wie z. B. von Gewinden, Inserts in dem Faserverbundbauteil anzuordnen. Derartige Inserts werden z. B. in entsprechende Ausnehmungen des ausgehärteten Faserverbundbauteils eingesetzt und durch Kleben an dem Faserverbundbauteil fixiert. Onserts, die wie Inserts Funktionsabschnitte aufweisen können, werden beispielsweise auf der Oberfläche des Faserverbundbauteils durch Verkleben befestigt. In einem alternativen Verfahren erfolgt die Anordnung des Inserts an dem Faserverbundbauteil durch Einpressen des Inserts in einen Vorformling des Faserverbundbauteils. Je nach Fertigungsverfahren weist der Vorformling Fasergewebe oder mit einem Matrixwerkstoff imprägniertes Fasergewebe auf. Durch ein anschließendes Aushärten des Matrixwerkstoffs werden die Inserts an dem Vorformling fixiert.
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Bekannte Verfahren zum Herstellen von Faserverbundbauteilen, die Inserts aufweisen, haben allesamt den Nachteil, dass ein Funktionsabschnitt des Inserts beim Imprägnieren des Vorformlings mit einem Matrixwerkstoff ebenfalls mit Matrixwerkstoff imprägniert wird. Dies führt neben einem übermäßigen Bedarf an Matrixwerkstoff zu einer erforderlichen Nachbearbeitung des Inserts, insbesondere des Funktionsabschnitts des Inserts. Hierdurch werden die Fertigungsdauer verlängert und Fertigungskosten erhöht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines Faserverbundbauteils bzw. ein Faserverbundbauteil mit einem daran angeordneten Insert zu optimieren, wobei die Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Insertsystem zum Anordnen an einem Vorformling aus Fasergewebe sowie ein Verfahren zum Abdichten eines Inserts gegenüber einem Vorformling aus Fasergewebe aufzuzeigen, mittels deren ein verbessertes Imprägnieren des Vorformlings ermöglicht wird, so dass der Aufwand für eine Nachbearbeitung des Inserts nach dem Imprägnieren zumindest reduzierbar ist.
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Die voranstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Insertsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Abdichten eines Inserts gegenüber einem Vorformling aus Fasergewebe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Insertsystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abdichten eines Inserts gegenüber einem Vorformling aus Fasergewebe und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, bzw. werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Insertsystem kann selbstverständlich auch das erfindungsgemäße Verfahren zum Abdichten eines Inserts gegenüber einem Vorformling aus Fasergewebe ausgeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Insertsystem weist ein Insert zum Anordnen an einem Vorformling aus Fasergewebe auf, wobei das Insert einen Halteabschnitt zum Fixieren des Inserts an dem Vorformling und einen Funktionsabschnitt aufweist. Überdies weist das Insert einen Aufnahmeabschnitt auf, an dem eine Dichtungsvorrichtung zum Abdichten des Inserts gegenüber einem Werkzeug angeordnet ist. Die Dichtungsvorrichtung weist einen ersten Anlageabschnitt und einen zweiten Anlageabschnitt auf, wobei der erste Anlageabschnitt zur dichtenden Anlage an dem Werkzeug und der zweite Anlageabschnitt zur dichtenden Anlage an dem Aufnahmeabschnitt des Inserts ausgebildet sind.
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Der Halteabschnitt des Inserts ist vorzugsweise derart ausgebildet, in Faserzwischenräume des Fasergewebes einzugreifen. Vorzugsweise ist der Halteabschnitt relativ starr ausgebildet, so dass beim Einführen des Halteabschnitts in das Fasergewebe des Vorformlings, mit diesem einzelne Fasern verdrängbar sind. Des Weiteren weist der Halteabschnitt vorzugsweise eine Oberflächenkontur und/oder Oberflächenstruktur auf, die ein Einführen des Halteabschnitts in den Vorformling erleichtert und ein Herausführen erschwert. Ein derartiger Halteabschnitt weist beispielsweise zumindest in einem Teilbereich eine Rückhaltestruktur auf, die kegel-, pyramiden- oder keilförmig ausgebildet ist. Dabei weist eine schmale Seite der Rückhaltestruktur vorzugsweise in eine Einführrichtung des Inserts in den Vorformling. Alternativ oder zusätzlich weist die Rückhaltestruktur zumindest in einem Teilbereich Widerhaken und oder eine Schraubenstruktur bzw. schraubenartige Struktur auf.
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Ein Funktionsabschnitt ist ein Bereich des Inserts, der dem Faserverbundbauteil mindestens eine Funktion bereithält. Über den Funktionsabschnitt ist das Faserverbundbauteil beispielsweise mit einem weiteren Faserverbundbauteil verbindbar. Alternativ kann ein Funktionsabschnitt beispielsweise zur Durchleitung eines Betriebsmittels bzw. zur Durchführung eines entsprechenden Kanals ausgebildet sein. Betriebsmittel sind beispielsweise Fluide oder elektrischer Strom.
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An dem Aufnahmeabschnitt ist erfindungsgemäß eine Dichtungsvorrichtung angeordnet, die zum Abdichten des Inserts gegenüber dem Werkzeug, insbesondere einem Werkzeugoberteil oder Werkzeugunterteil, ausgebildet ist. Mittels einer derartigen Dichtungsvorrichtung ist ein Vorformling mit einem daran angeordneten Insertsystem derart an einem Werkzeug anordenbar, dass die Dichtungsvorrichtung das Insert gegenüber dem Werkzeug abdichtet. Somit ist der Funktionsabschnitt des Inserts durch die Dichtungsvorrichtung vom Vorformling derart abdichtbar, dass beim Imprägnieren des Vorformlings mit einem Matrixwerkstoff der Halteabschnitt des Inserts von dem Matrixwerkstoff benetzt und der Funktionsabschnitt von diesem nicht benetzt wird.
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Ein erfindungsgemäßes Insertsystem hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln verhinderbar ist, dass der Funktionsabschnitt des Inserts beim Imprägnieren des Vorformlings mit Matrixwerkstoff benetzt wird bzw. mit diesem in Kontakt gerät. Somit ist der Funktionsabschnitt nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes frei von Matrixwerkstoff, so dass eine aufwändige Nachbearbeitung des Funktionsabschnitts nicht erforderlich ist. Auf diese Weise können Fertigungsaufwand, -zeit sowie -kosten deutlich reduziert werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umgibt eine Dichtungsvorrichtung das Insert, Unter Umgeben wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass sich die Dichtungsvorrichtung um mindestens 360° um eine Achse des Inserts, vorzugsweise die Längsachse, erstreckt. Dabei kann die Dichtungsvorrichtung eine oder mehrere Unterbrechungen, wie z. B. einen Schnitt quer zur Längsachse, aufweisen, wobei eine durchgängige Dichtungsvorrichtung wegen der guten Dichtungseigenschaften bevorzugt ist. Bei Inserts mit rundem Querschnitt ist die Dichtungsvorrichtung vorzugsweise ringförmig bzw. torusförmig ausgebildet. Es ist bevorzugt, dass die Dichtungsvorrichtung derart ausgebildet ist, das Insert dichtend um dessen Längsachse zu umgeben. Derartige Dichtungsvorrichtungen sind mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig herstellbar und gewährleisten eine sichere Abdichtung des Inserts gegenüber dem Werkzeug.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist eine Dichtungsvorrichtung Gummi und/oder Silikon auf und/oder ist aus Gummi und/oder Silikon gebildet. Derartige Werkstoffe haben eine hohe Elastizität und sind zum fluiddichten Abdichten von Schnittstellen zwischen zwei Objekten gut geeignet.
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Ebenfalls vorteilhaft kann ein Aufnahmeabschnitt eines Inserts quer oder im Wesentlichen zu einer Einbringrichtung des Inserts derart ausgebildet sein, dass der Aufnahmeabschnitt formschlüssig eine Relativbewegung der Dichtungsvorrichtung zum Insert in wenigstens eine Richtung begrenzt. Dies hat den Vorteil, dass die Dichtungsvorrichtung nach dem Einbringen des Insertsystems in einen Vorformling beim Aufsetzen der Dichtungsvorrichtung auf einem Werkzeug gegen den Aufnahmeabschnitt des Inserts gedrückt wird und somit nicht vom Insert abrutschen kann.
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Vorzugsweise weist ein Aufnahmeabschnitt eines Inserts mindestens eine Haltekontur zur Anlage und/oder Aufnahme der Dichtungsvorrichtung auf. Die Haltekontur ist vorzugsweise als Absatz, Kante, Nut oder Sicke ausgebildet. Somit bietet die Haltekontur dem Insert eine formschlüssige Begrenzung in mindestens eine Richtung. Derartige Haltekonturen sind mit einfachen Mitteln herstellbar und bei herkömmlichen Inserts teilweise bereits vorhanden.
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Es ist bevorzugt, dass ein Funktionsabschnitt eines Inserts zum Koppeln mit einer Vorrichtung und/oder einem Koppelelement ausgebildet ist. Ein Koppelelement ist z. B. eine Schraube. Bei derartigen Funktionsabschnitten, die z. B. ein Innengewinde aufweisen, ist ein Eindringen von Matrixwerkstoff besonders nachteilig, da dies i. d. R. eine aufwändige Nachbearbeitung erforderlich macht.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein Funktionsabschnitt ein Loch und/oder ein Innengewinde aufweist. Ein Loch ist beispielsweise ein Durchgangsloch oder ein Sackloch, wobei ein Sackloch bevorzugt ist, da ansonsten eine zusätzliche Abdichtung einer dem Funktionsabschnitt abgewandten Öffnung des Durchgangslochs erforderlich sein könnte, um ein Eindringen von Matrixwerkstoff in das Durchgangsloch zu verhindern.
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Vorzugsweise ist ein Aufnahmeabschnitt dem Funktionsabschnitt benachbart an einem Insert angeordnet. Auf diese Weise ist eine besonders kompakte Ausbildung des Inserts möglich.
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Des Weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Abdichten eines Inserts gegenüber einem Vorformling aus Fasergewebe. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- – Bereitstellen eines Vorformlings aus Fasergewebe an einem Werkzeug; und
- – Anordnen eines erfindungsgemäßen Insertsystems derart an dem Vorformling, dass ein erster Anlageabschnitt einer Dichtungsvorrichtung des Insertsystems dichtend an dem Werkzeug und ein zweiter Anlageabschnitt der Dichtungsvorrichtung dichtend an einem Insert des Insertsystems angeordnet ist.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Insert derart an einem Werkzeug und einem Vorformling anordenbar, dass das Insert mit dem Werkzeug entlang der Dichtungsvorrichtung eine Abdichtung aufweist. Somit wird verhindert, dass Matrixwerkstoff beim Imprägnieren des Vorformlings einen Teilbereich des Inserts benetzt. Eine aufwändige Nachbearbeitung des Inserts nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffs ist somit nicht mehr erforderlich.
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Vorzugsweise werden der Vorformling derart an dem Werkzeug und das Insertsystem derart an dem Vorformling angeordnet, dass die Dichtungsvorrichtung einen Funktionsabschnitt des Inserts zum Vorformling abdichtet. Somit ist das Insert derart an dem Werkzeug und dem Vorformling anordenbar, dass der Funktionsabschnitt des Inserts gegenüber dem Vorformling abgedichtet ist. Somit wird verhindert, dass Matrixwerkstoff beim Imprägnieren des Vorformlings den Funktionsabschnitt des Inserts benetzt. Eine aufwändige Nachbearbeitung des Inserts nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffs ist somit nicht mehr erforderlich.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Insertsystems, das an einem Vorformling und einem Werkzeug angeordnet ist; und
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2 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Insertsystems 1, das an einem Vorformling 3 und einem Werkzeug 8 angeordnet ist. Das Werkzeug 8 weist ein Werkzeugunterteil 8a und ein Werkzeugoberteil 8b auf. In dem Werkzeugunterteil 8a ist eine Freimachung 14 ausgebildet. Das Werkzeug 8 ist beispielsweise ein Formgebungswerkzeug, das zum Zusammenpressen des Vorformlings 3 ausgebildet ist. Hierfür sind Werkzeugunterteil 8a und Werkzeugoberteil 8b zusammen bewegbar und zum Freigeben des geformten Vorformlings 3 auseinander bewegbar.
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Das Insertsystem 1 weist ein Insert 2 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch um dessen Längsachse 15 ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsbeispielen kann das Insert 2 auch eine andere Form aufweisen, die nicht rotationssymmetrisch ist, z. B. spiegelsymmetrisch oder ohne Symmetrie. Das Insert 2 weist einen Halteabschnitt 4, einen Aufnahmeabschnitt 6 und einen Funktionsabschnitt 5 auf, die entlang der Längsachse 15 des Inserts 2 hintereinander angeordnet sind. Der Halteabschnitt 4 ist in einem Fasergewebe des Vorformlings 3 gehalten und weist in diesem Ausführungsbeispiel die Form eines Kegelstumpfes auf, wobei der größere Durchmesser des Kegelstumpfes dem Aufnahmeabschnitt 6 abgewandt ist. Der Halteabschnitt 4 kann im Wesentlichen jede Form aufweisen, die einen sicheren Halt des Inserts 2 im Vorformling 3 gewährleistet und vorzugsweise ein Einbringen des Inserts 2 in den Vorformling 3 begünstigt. An dem Aufnahmeabschnitt 6 weist das Insert 2 eine Haltekontur 11 auf, die als umlaufende Kante ausgebildet ist. Die Haltekontur 11 ist zur Anlage einer Dichtungsvorrichtung 7 ausgebildet. Der Funktionsabschnitt 5 ist im Wesentlichen stumpfkegelförmig ausgebildet, wobei der Funktionsabschnitt 5 deutlich steiler als der Halteabschnitt 4 ausgebildet ist. Innerhalb des Funktionsabschnitts 5 weist das Insert 2 koaxial zur Längsachse 15 ein Loch 12 auf, das als Sackloch ausgebildet ist und im Bereich des Halteabschnitts 4 geschlossen ist. In dem Loch 12 ist ein Innengewinde 13 angeordnet.
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Der Funktionsabschnitt 5 des Inserts 2 ist innerhalb der Freimachung 14 des Werkzeugunterteils 8a angeordnet, so dass durch ein Zusammenbewegen von Werkzeugunterteil 8a und Werkzeugoberteil 8b der Funktionsabschnitt 5 des Inserts 2 nicht beschädigt wird. Alternativ kann Insert 2 auch derart ausgebildet sein, dass der Funktionsbereich 5 im Vorformling 3 anordenbar ist und sich nicht oder nur ein kleines Stück in die Freimachung 14 des Werkzeugunterteils 8a erstreckt. In diesem Fall kann dich Freimachung 14 flacher ausgestaltet sein.
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An der Haltekontur 11 des Aufnahmeabschnitts 6 ist eine Dichtungsvorrichtung 7 angeordnet, die in dieser Ausführungsform einen kreisrunden Querschnitt aufweist und ringförmig ausgebildet ist. Die Dichtungsvorrichtung 7 umgibt die Längsachse 15 des Inserts 2 vollständig und liegt mit einem zweiten Anlageabschnitt 10 an der Haltekontur 11 bzw. der Haltekontur 11 benachbart an dem Insert 2 an. Ein erster Anlageabschnitt 9 der Dichtungsvorrichtung 7 ist an dem Werkzeugunterteil 8a angeordnet. Somit bildet die Dichtungsvorrichtung 7 eine um die Längsachse 15 ausgebildete umlaufende Dichtung zwischen Insert 2 und Werkzeugunterteil 8a. Auf diese Weise sind die Freimachung 14 und das Loch 12 mit dem Innengewinde 13 zum Vorformling 3 abgedichtet. Ein Imprägnieren des Vorformlings 3 mit einem Matrixwerkstoff führt mit einem derartigen Insertsystem 1 nicht zu einem Eindringen des Matrixwerkstoffs in das Loch 12 und das Innengewinde 13. Das Insertsystem ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Dichtungsvorrichtung 7 während des Auseinanderfahrens von Werkzeugunterteil 8a und Werkzeugoberteil 8b bzw. nach dem Auseinanderfahren sowie nach dem Imprägnieren des Vorformlings 3 vom Insert 2 entnehmbar ist. Eine derartige Dichtungsvorrichtung 7 ist vorzugsweise für ein neues Insertsystem 1 wiederverwertbar.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird ein Vorformling 3 aus Fasergewebe an einem Werkzeug 8 bereitgestellt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird ein erfindungsgemäßes Insertsystem 1 an dem Vorformling 3 angeordnet. Das Insertsystem 1 kann beispielsweise durch das Werkzeug 8 in den Vorformling 3 gepresst werden. Alternativ wird das Insertsystem 1 bereits vor dem ersten Verfahrensschritt 100 an dem Vorformling 3 angeordnet. Die Anordnung des Insertsystems 1 und des Vorformlings 3 erfolgt derart, dass die Dichtungsvorrichtung 7 des Insertsystems 1 mit dem Werkzeug 8 in dichtendem Kontakt ist.
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In einem optionalen dritten Verfahrensschritt 300 wird der Vorformling 3 mit einem Matrixwerkstoff imprägniert. Dabei wird durch die Dichtungsvorrichtung 7 ein Funktionsabschnitt 5 des Inserts 2 vor einem Benetzen mit Matrixwerkstoff geschützt. Sofern das Insert 2 im Funktionsabschnitt 5 ein Loch 12 und/oder ein Innengewinde 13 aufweist, werden diese durch die Dichtungsvorrichtung 7 vor einem Eindringen des Matrixwerkstoffs ebenfalls geschützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Insertsystem
- 2
- Insert
- 3
- Vorformling
- 4
- Halteabschnitt
- 5
- Funktionsabschnitt
- 6
- Aufnahmeabschnitt
- 7
- Dichtungsvorrichtung
- 8
- Werkzeug
- 8a
- Werkzeugunterteil
- 8b
- Werkzeugoberteil
- 9
- erster Anlageabschnitt
- 10
- zweiter Anlageabschnitt
- 11
- Haltekontur
- 12
- Loch
- 13
- Innengewinde
- 14
- Freimachung
- 15
- Längsachse
- 100
- erster Verfahrensschritt
- 200
- zweiter Verfahrensschritt
- 300
- dritter Verfahrensschritt
- E
- Einbringrichtung
