DE102015208461A1

DE102015208461A1 - Vorrichtung zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile

Info

Publication number: DE102015208461A1
Application number: DE102015208461.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Korber; Michael Kaiser
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-11-10

Abstract

Vorrichtung zum Nasspressen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mit einem Formwerkzeug, das zumindest eine erste Formhälfte (1) und eine zweite Formhälfte (7) aufweist, die in kontrollierter Weise geschlossen und aneinandergepresst werden können, wobei das Formwerkzeug eine Kavität aufweist, in die im geöffneten Zustand mehrere Lagen von Fasermaterial (10), sowie Kunststoffmatrix-Material (11) eingebracht werden kann, wobei zumindest die erste Formhälfte (1) oder die zweite Formhälfte (7) wenigstens einen Überlauf-Hohlraum (3) aufweist, der durch wenigstens ein Druckbegrenzungselement (4, 5, 6) verschlossen ist, und wobei das Druckbegrenzungselement (4, 5, 6) derart ausgeführt ist, dass es bei Überschreiten eines bestimmten Druckniveaus in der Kavität des Formwerkzeuges den Überlauf-Hohlraum (3) zumindest teilweise freigibt, so dass Kunststoffmatrix-Material (11) in den Überlauf-Hohlraum (3) abfließen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nasspressen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mit einem Formwerkzeug, das zumindest eine erste Formhälfte und eine zweite Formhälfte aufweist, die in kontrollierter Weise geschlossen und aneinandergepresst werden können, wobei das Formwerkzeug eine Kavität aufweist, in die im geöffneten Zustand mehrere Lagen von Fasermaterial, sowie Kunststoffmatrix-Material eingebracht werden kann.
Ein Nasspressverfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung ist im Stand der Technik beispielsweise aus DE 10258630 A1 bekannt. Dabei wird zunächst ein Gelege oder Gewebe aus Fasermaterial in die Kavität einer Formhälfte eines zwei- oder mehrteiligen Formwerkzeuges eingelegt und flüssiges Kunststoffmatrix-Material eingefüllt. Anschließend wird diese Formhälfte mit einer zweite Formhälfte des Formwerkzeuges zusammengedrückt, so dass das Fasermaterial verformt und das Kunststoffmatrix-Material entsprechend der vorgegebenen Form verteilt und zwischen die Fasern hineingepresst wird.
Nachteilig beim bisher bekannten Nasspressen ist, dass der Druck auf das Bauteil in der Form und der zeitliche Druckverlauf nur unzureichend kontrolliert werden können, da dieser Druck nicht nur von der Schließkraft des Formwerkzeuges abhängt. Auch Schließgeschwindigkeit, Viskosität und Menge des Kunststoffmatrix-Materials und andere Parameter spielen eine Rolle. Treten zu hohe Druckspitzen beim Schließen des Formwerkzeuges auf, kann das Fasermaterial verdrückt werden, wodurch unerwünschte Abweichungen in der Festigkeit des Bauteils entstehen. Ist andererseits der Druck beim Nasspressen zu niedrig, wird das Kunststoffmatrix-Material nicht gleichmäßig verteilt und nicht vollständig in die Zwischenräume der Fasern gepresst, was zu Lufteinschlüssen und Fehlern im Bauteil führt. Das heißt Druckspitzen können nicht einfach vermieden werden, indem die Schließkraft reduziert wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu entwickeln, die geeignet ist, unerwünschte Druckspitzen zu vermeiden, ohne dass dadurch die Gleichmäßigkeit der Verteilung des Kunststoffmatrix-Materials, sowie die Durchdringung des Fasermaterials verschlechtert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Vorrichtung ist dabei so gestaltet, dass zumindest die erste Formhälfte oder die zweite Formhälfte wenigstens einen Überlauf-Hohlraum aufweist, der durch wenigstens ein Druckbegrenzungselement verschlossen ist, wobei das Druckbegrenzungselement derart ausgeführt ist, dass es bei Überschreiten eines bestimmten Druckniveaus in der Kavität des Formwerkzeuges den Überlauf-Hohlraum freigibt, so dass Kunststoffmatrix-Material in den Überlauf-Hohlraum abfließen kann.
Das bietet den Vorteil, dass unabhängig von Schließkraft, Schließgeschwindigkeit und anderen Einflussgrößen sichergestellt ist, dass in der Kavität der Druck nicht über ein bestimmtes vom Druckbegrenzungselement festgelegtes Druckniveau ansteigen kann. Damit kann sowohl ein Verdrücken der Faserlagen als auch eine Beschädigung von druckempfindlichen Kernmaterialien im Bauteil, wie beispielsweise Schäumen, zuverlässig verhindert werden. Auch Druckspitzen wie sie durch das Einfüllen einer etwas zu hohen Menge an Kunststoffmatrix-Material häufig auftreten, kann vermieden werden. Ebenso können Formwerkzeuge auf einen geringeren Maximaldruck ausgelegt werden, ohne dass eine Beschädigung der Formwerkzeuge oder der Dichtungen riskiert wird. Gegebenenfalls können auch höhere Schließgeschwindigkeiten ohne Gefahr für die Qualität des Bauteils realisiert werden. Bevorzugt befindet sich der Überlauf-Hohlraum im Randbereich der Kavität außerhalb des später genutzten Bauteils oder in einem Bereich, der nicht im Bauteil verbleibt, zum Beispiel in einer Bohrung oder in einem Ausschnitt.
Das Formwerkzeug kann zusätzlich zur ersten und zweiten Formhälfte auch noch weitere Stempel oder Formteile aufweisen, die zur Verformung beitragen. Die Vorrichtung ist geeignet für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, wobei das Fasermaterial insbesondere Kohlenstofffasern, Glasfasern oder eine Mischung daraus enthalten kann. Die Lagen enthalten bevorzugt Langfasern oder Endlosfasern, in Form von Bändern, Geweben oder Gelegen. Weiterhin könnte es auch ein Vlies aus Kurzfasern sein. Es ist auch eine Mischung aus verschiedenen Varianten möglich. Das Kunststoffmatrix-Material ist bevorzugt ein duroplastisches Harz oder ein Thermoplast. Das Harz wird unausgehärtet und das Thermoplast wird als Schmelze eingebracht. Das Kunststoffmatrix-Material kann auch als Imprägnierung bereits auf den Faserlagen vorhanden sein.
Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Absicherung gegenüber Druckspitzen weiter verbessern, finden sich in den Unteransprüchen.
In einer bevorzugten Ausführung besteht das Druckbegrenzungselement aus einem Schaum, der so ausgeführt ist, dass er bei Erreichen des bestimmten Druckniveaus kollabiert. Solche Schaumelemente sind einfach und günstig herzustellen und können gut entsprechend verschiedener Druckniveaus ausgelegt werden.
In einer alternativen Ausführung besteht das Druckbegrenzungselement aus einer oder mehreren Lagen, die so ausgeführt sind, dass sie bei Erreichen des bestimmten Druckniveaus versagen und sich verformen oder aufbrechen. Als Material für solche Lagen kommt beispielsweise Kunststoff oder ein Gewebe in Frage. Auch solche Elemente sind günstig herzustellen. Sie haben den Vorteil, dass sie nicht viel Volumen im Überlauf-Hohlraum beanspruchen.
Eine weitere bevorzugte Ausführung enthält ein Druckbegrenzungselement, das einen Schieber oder eine Klappe aufweist, der oder die durch eine Feder oder ein Hydraulikelement in ihrer Schließposition gehalten werden. Bei Erreichen des bestimmten Druckniveaus gibt die Feder oder das Hydraulikelement nach, so dass der Überlauf-Hohlraum freigegeben wird. Ein Vorteil dieser Ausführung ist es, dass bei Verringerung des Druckes in der Kavität der Schieber oder die Klappe wieder in die Schließposition zurückgeht und somit ein weiteres Abfließen von Kunststoffmatrix-Material gestoppt wird, auch wenn der freigegebene Überlauf-Hohlraum noch nicht ganz gefüllt ist.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführung weist das Druckbegrenzungselement einen Drucksensor und ein Schließelement mit einem Öffnungsmechanismus auf, wobei der Drucksensor bei Erreichen des bestimmten Druckniveaus den Öffnungsmechanismus aktiviert, so dass das Schließelement bewegt wird und den Überlauf-Hohlraum freigibt. Der Drucksensor kann direkt mit dem Öffnungsmechanismus des Schließelementes oder er kann über eine Steuerung mit diesem verbunden sein. Der Drucksensor kann so gestaltet sein, dass verschiedene Druckniveaus einstellbar sind. Schließelement und Drucksensor können im Formwerkzeug bleiben und mehrfach wiederverwendet werden. Bei Verwendung einer Steuerung kann auch ein variables Auslöseverhalten des Drucksensors vorgegeben werden, zum Beispiel ein mit zunehmender Presszeit abnehmendes oder zunehmendes Druckniveau.
Weiterhin können auch mehrere Überlauf-Hohlräume mit jeweils mindestens einem Druckbegrenzungselement am Formwerkzeug vorhanden sein. Damit ist es möglich mehrere druckempfindliche Bereiche im Bauteil gegen lokale Druckspitzen abzusichern. Besonders bei größeren, flächigen Bauteilen ist dies von Vorteil.
Es kann auch vorteilhaft sein, sowohl in der ersten Formhälfte wie auch in der zweiten Formhälfte zumindest je einen Überlauf-Hohlraum mit wenigstens einem Druckbegrenzungselement vorzusehen. Dadurch kann beispielsweise ein zu großer Druckunterschied zwischen Ober- und Unterseite des Bauteiles beim Pressen vermieden werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung enthält wenigstens ein Überlauf-Hohlraum mehrere Druckbegrenzungselemente, die hintereinander im Überlauf-Hohlraum angeordnet sind. Das heißt bei Überschreiten des bestimmten Druckniveaus gibt das erste, an der Außenseite des Überlauf-Hohlraumes angeordnete Druckbegrenzungselement einen ersten Teil des Hohlraumes frei. Ist nach Abfließen des Kunststoffmatrix-Materials in diesen ersten Teil der Druck immer noch zu hoch, gibt auch das nächste Druckbegrenzungselement nach und gibt einen weiteren Teil des Überlauf-Hohlraumes frei. Das nächste Druckbegrenzungselement kann so ausgeführt sein, dass es beim gleichen Druckniveau nachgibt wie das erste Element, oder so, dass es erst bei einem noch höheren Druckniveau nachgibt. Optional kann auch noch ein drittes Druckbegrenzungselement im Hohlraum vorhanden sein, das wiederum einen weiteren Teil des Hohlraumes verschließt und bei Überschreitung eines bestimmten Druckniveaus freigibt.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten zusätzlichen Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
1 Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betrieb vor Schließen des Formwerkzeuges
2 Ausschnitt wie in 1 nach Schließen des Formwerkzeuges und Kollabieren eines Druckbegrenzungselements
Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. 1 zeigt nur einen Ausschnitt für eine beispielhafte Ausführung. Dargestellt ist ein Teil der ersten Formhälfte 1 und der zweiten Formhälfte 7 des Formwerkzeuges. In der Kavität zwischen den beiden Formhälften 1, 7 befindet sich ein Stapel aus Fasermaterial-Lagen 10 und eine Schicht Kunststoffmatrix-Material 11, welche beispielsweise ein Harzfilm sein kann. Der Überlauf-Hohlraum 3 ist in dem dargestellten Fall dreistufig ausgebildet mit hintereinander angeordneten Druckbegrenzungselementen 4, 5, 6. Er wird durch den gesamten Hohlraum unter der Oberfläche 2 des Formwerkzeuges gebildet. Das erste Druckbegrenzungselement 4 schließt die erste der drei Kammern des Überlauf-Hohlraumes 3 ab, das zweite Druckbegrenzungselement 5 die zweite Kammer und das dritte Druckbegrenzungselement 6 die dritte Kammer. Die Druckbegrenzungselemente sind hier als komprimierbare Schaumkörper ausführt.
2 zeigt den Ausschnitt der Vorrichtung nach dem Schließen. Der Druck hat das Kunststoffmatrix-Material 11 in der Kavität verteilt und in die Faserstruktur 10 hineingedrückt. Da das bestimmte Druckniveau überschritten wurde, ist das erste Druckbegrenzungselement 4a bereits kollabiert. Somit wurde der erste Teil des Überlauf-Hohlraums 3 freigegeben und es konnte überschüssiges Kunststoffmatrix-Material 11 dorthin abfließen. Die weiteren Druckbegrenzungselemente 5, 6 sind noch nicht kollabiert. Eine Druckspitze im zu fertigenden Bauteil konnte somit vermieden werden. Sollte der Druck weiterhin über dem bestimmten Druckniveau liegen, wird das zweite Druckbegrenzungselement 5 ebenfalls kollabieren und einen weiteren Teil des Überlauf-Hohlraumes 3 freigeben.
Bezugszeichenliste

1: erste Formhälfte
2: Oberfläche der ersten Formhälfte
3: Überlauf-Hohlraum
4, 5, 6: Druckbegrenzungselemente
4a: kollabiertes und verformtes Druckbegrenzungselement
7: zweite Formhälfte
10: Fasermaterial
11: Kunststoffmatrix-Material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10258630 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Nasspressen von faserverstärkten Kunststoffbauteilen mit einem Formwerkzeug, das zumindest eine erste Formhälfte (1) und eine zweite Formhälfte (7) aufweist, die in kontrollierter Weise geschlossen und aneinandergepresst werden können, wobei das Formwerkzeug eine Kavität aufweist, in die im geöffneten Zustand mehrere Lagen von Fasermaterial (10), sowie Kunststoffmatrix-Material (11) eingebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Formhälfte (1) oder die zweite Formhälfte (7) wenigstens einen Überlauf-Hohlraum (3) aufweist, der durch wenigstens ein Druckbegrenzungselement (4, 5, 6) verschlossen ist, wobei das Druckbegrenzungselement (4, 5, 6) derart ausgeführt ist, dass es bei Überschreiten eines bestimmten Druckniveaus in der Kavität des Formwerkzeuges den Überlauf-Hohlraum (3) zumindest teilweise freigibt, so dass Kunststoffmatrix-Material (11) in den Überlauf-Hohlraum (3) abfließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungselement (4, 5, 6) aus einem Schaum besteht, der so ausgeführt ist, dass er bei Erreichen des bestimmten Druckniveaus kollabiert (4a).
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungselement (4, 5, 6) aus einer oder mehreren Lagen besteht, die so ausgeführt sind, dass sie bei Erreichen des bestimmten Druckniveaus versagen und sich verformen oder aufbrechen (4a).
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungselement einen Schieber oder eine Klappe aufweist, der oder die durch eine Feder oder ein Hydraulikelement in ihrer Schließposition gehalten werden, wobei die Feder oder das Hydraulikelement so ausgeführt sind, dass sie bei Erreichen des bestimmten Druckniveaus nachgeben und somit der Überlauf-Hohlraum (3) freigegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungselement einen Drucksensor und ein Schließelement mit einem Öffnungsmechanismus aufweist, wobei der Drucksensor bei Erreichen des bestimmten Druckniveaus den Öffnungsmechanismus aktiviert, so dass das Schließelement bewegt wird und den Überlauf-Hohlraum (3) freigibt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Überlauf-Hohlräume (3) mit jeweils mindestens einem Druckbegrenzungselement (4, 5, 6) vorhanden sind
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sowohl in der ersten Formhälfte (1) als auch in der zweiten Formhälfte (7) zumindest je ein Überlauf-Hohlraum (3) mit wenigstens einem Druckbegrenzungselement (4, 5, 6) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Überlauf-Hohlraum (3) mehrere Druckbegrenzungselemente (4, 5, 6) aufweist, die hintereinander im Überlauf-Hohlraum (3) angeordnet sind.