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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fasermatrixhalbzeugs, bei dem eine Zusammensetzung mit Harzwerkstoff und Verstärkungsfasern unter einem ersten Umgebungsdruck zwischen bandförmige obere und untere Trägerfolien zur Bildung eines Aufbaus eingebracht und der Aufbau zur Tränkung der Verstärkungsfasern mit Harzwerkstoff verdichtet wird und der Aufbau zur Bildung einer Halbzeugrolle in Rollenform bereitgestellt wird, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei dem hier erwähnten Fasermatrixhalbzeug kann es sich um ein so genanntes SMC (sheet moulding compound) Prepreg handeln, also um eine faserverstärkte Formpressmasse, die in eine Form eingebracht und unter Wärme- und Druckbeaufschlagung zu einem Werkstück umgeformt werden kann, bei dem es sich beispielsweise um ein Karosseriebauteil handeln kann.
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Anhand der
US 4,474,845 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines gattungsgemäßen Fasermatrixhalbzeugs bekannt geworden, bei dem eine Zusammensetzung mit Harzwerkstoff und Verstärkungsfasern zwischen zwei bandförmige Trägerfolien eingebracht wird und die Zusammensetzung über einen Kontakt der oberen Trägerfolien mit Rollen oder Walzen geringfügig verdichtet wird, während die untere Trägerfolien auf einem Transportband aufliegt, damit eine Vorimprägnierung der Verstärkungsfasern mit Harzwerkstoff stattfindet.
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Bei den in dieser Druckschrift beschriebenen Verstärkungsfasern handelt es sich um kurze Fasern, die über einen Schneid- beziehungsweise Reißwerkzeug von einem Endlosroving abgezogen werden und auf die bereits mit einem Harzwerkstoff versehene untere Trägerfolien fallen.
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Anhand der auf die Anmelderin zurückgehenden
DE 10 2013 210 934 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt geworden, bei dem die dort verwendeten Kurzfasern durch Zuschneiden eines Faserstrangs und/oder durch Zerkleinern von Faserproduktionsausschüssen bereitgestellt werden.
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Es hat sich gezeigt, dass bei der Herstellung eines Fasermatrixhalbzeugs in der Form eines SMC Halbzeugs bei der Verwendung von Verstärkungsfasern aus Abschnitten oder Produktionsausschüssen bei der Herstellung des Fasermatrixhalbzeugs in der Zusammensetzung aus Harzwerkstoff und Verstärkungsfasern viele Leerräume oder Poren entstehen, die mit Luft gefüllt sind und die bei der Verdichtung beziehungsweise Kompaktierung nur ungenügend aus dem Nadelvlies verdrängt werden und sich dann bei der Herstellung eines Werkstücks aus dem hergestellten Fasermatrixhalbzeug keine zufrieden stellende Werkstückoberfläche einstellt, die beispielsweise sofort einem Lackiervorgang zugeführt werden könnte.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Fasermatrixhalbzeugs bereitzustellen, welches die geschilderten Nachteile vermeidet.
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Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf, vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Fasermatrixhalbzeugs, bei dem eine Zusammensetzung mit Harzwerkstoff und Verstärkungsfasern unter einem ersten Umgebungsdruck zwischen bandförmige obere und untere Trägerfolien zur Bildung eines Aufbaus eingebracht und der Aufbau zur Tränkung der Verstärkungsfasern mit Harzwerkstoff verdichtet wird und der Aufbau zur Bildung einer Halbzeugrolle in Rollenform oder in Form eines Halbzeuglagenzuschnitts bereit gestellt wird, und die Halbzeugrolle oder der Halbzeuglagenzuschnitt in eine Kavität eingebracht und mit einem zweiten Umgebungsdruck beaufschlagt wird, der niedriger ist als der erste Umgebungsdruck.
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Bei der Herstellung des Fasermatrixhalbzeugs gelangt in den Aufbau aus Harzwerkstoff und Verstärkungsfasern Luft, die zur Bildung von Poren und/oder Luftblasen in dem Aufbau sorgt, die bei der Kompaktierung des Aufbaus zwischen Kalandrierwalzen nur schlecht aus dem Aufbau ausgetragen werden können, da die Trägerfolien in der Regel luftdicht ausgebildet sind und auch durch eine Druckbeaufschlagung des Aufbaus zwischen den beiden Trägerfolien eingeschlossene Luft kaum austreten kann. Wird der von den Kalandrierwalzen aufgebrachte Druck zur Verbesserung des Austrags der eingeschlossenen Luft erhöht, tritt auch Harzwerkstoffmasse und damit in unerwünschter Weise die Zusammensetzung mit Harzwerkstoff und Verstärkungsfasern seitlich aus den längsverlaufenden Trägerfolien aus, was selbstverständlich nicht wünschenswert ist.
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Die Erfindung schafft hier eine Lösung, in dem die bereits zu einer Rolle ausgebildete Halbzeugrolle oder ein Halbzeuglagenzuschnitt in eine Kavität eingebracht wird und dort mit einem niedrigen zweiten Umgebungsdruck beaufschlagt wird, der dafür sorgt, dass die im Aufbau vorhandenen Poren verringert beziehungsweise verkleinert werden und in Luftblasen eingeschlossene Luft austreten kann. Der durch die Herstellung bedingte Druck in den Poren beziehungsweise Luftblasen ist größer als der zweite Umgebungsdruck in der Kavität und sorgt dafür, dass mit dem angestrebten Druckausgleich eingeschlossene Luft aus dem Aufbau austreten kann.
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Der zweite Umgebungsdruck ist niedriger als der erste Umgebungsdruck, der der am Herstellungsort herrschende Umgebungsdruck ist, also beispielsweise der in einer Fertigungshalle für die Herstellung des Fasermatrixhalbzeugs herrschende ganz normale Umgebungsdruck.
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Durch die Reduzierung des zweiten Umgebungsdrucks in der Kavität, also beispielsweise der Verringerung des zweiten Umgebungsdrucks zur Bildung eines Vakuums in der Kavität wird dafür gesorgt, dass in den Poren beziehungsweise Luftblasen eingeschlossene Luft aus dem Aufbau austritt, wodurch die Porengröße verringert wird beziehungsweise Poren und/oder Luftblasen aus dem Aufbau nahezu vollständig verschwinden und somit Werkstücke mit sehr guter Oberflächengüte aus dem so hergestellten Fasermatrixhalbzeug gebildet werden können.
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Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Verstärkungsfasern in der Form von geschnittenen Fasern oder ganz allgemein Faserstücken eingebracht werden, die aus bei der Herstellung von Werkstücken aus Faserwerkstoffen resultierenden Faserwerkstoffresten gewonnen werden. Es heißt dies mit anderen Worten, dass bei der Werkstückherstellung aus Faserwerkstoffen oder Faserverbundwerkstoffen übrig bleibende Reststücke dazu verwendet werden können, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Fasermatrixhalbzeugen durchzuführen.
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Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Halbzeugrolle in die Kavität einer Autoklavvorrichtung eingebracht wird und in der Kavität ohne Wärmebeaufschlagung der Halbzeugrolle für eine vorbestimmte Zeitdauer Unterdruck erzeugt wird. Dieser Unterdruck sorgt dafür, dass die im Aufbau befindlichen Poren und/oder Luftblasen nach der Tränkung des Nadelvlieses und der Kompaktierung des Aufbaus vor der Reifung des Fasermatrixhalbzeugs aus dem Aufbau ausgetragen beziehungsweise verkleinert beziehungsweise verringert werden. Statt eines Autoklaven ist es auch möglich, die Kavität eines Vakuumsacks dazu verwenden, das Halbzeug in Form der Rolle oder eines Zuschnitts aufzunehmen und mit Unterdruck zu beaufschlagen.
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Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Halbzeugrolle nach der vorbestimmten Zeitdauer mit Umgebungsdruck beaufschlagt wird. Es wird also zunächst für eine vorbestimmte Zeitdauer Unterdruck in der Kavität aufgebaut und die Poren und/oder Luftblasen im Aufbau werden verringert und dann kann nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer ein Druckausgleich in der Kavität durchgeführt werden, was dazu führt, dass der dann herrschende Luftdruck die untere und obere Trägerfolie nochmals mit Druck beaufschlagt, was dann dazu führt, dass diese Druckbeaufschlagung die Größe der im Aufbau verbliebenen Poren und/oder Luftblasen weiter verringert.
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Die so bereitgestellte Halbzeugrolle kann dann nach einer Weiterbildung der Erfindung einer Reifung unterzogen werden, woraufhin dann das SMC Halbzeug dem Produktionsprozess zugeführt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird daher zur Entfernung von bei der Herstellung des Fasermatrixhalbzeugs bis zur Bereitstellung in Rollenform in die Zusammensetzung eingetragener Poren und/oder Luftblasen verwendet.
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Dadurch, dass die bei der Herstellung eines Fasermatrixhalbzeugs im Aufbau eingetragene Poren und/oder Luftblasen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entfernt werden können, beziehungsweise deren Größe deutlich verringert werden kann, kann bei der Herstellung von Werkstücken aus dem nach der Erfindung bereitgestellten Fasermatrixhalbzeug der zur Formgebung benötigte Werkzeugdruck deutlich verringert werden, da sich im Werkzeug der zur Formgebung erforderliche hydrostatische Druck sofort aufbaut, der zum Verdrängen des Materials zur Formgebung benötigt wird.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Fasermatrixhalbzeugs; und
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2 eine schematische Darstellung mehrerer Prozessschritte bei der Herstellung des Fasermatrixhalbzeugs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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1 der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Fasermatrixhalbzeugs 2 beziehungsweise SMC Halbzeugs, noch bevor es zu einer Halbzeugrolle aufgerollt wurde.
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Eine untere Trägerfolie 3 wird von einer Rolle 4 abgezogen und auf eine Endlosband 5 aufgebracht, wo es über eine Dosiereinrichtung 6 mit Harzwerkstoff 7 versehen wird. Auf den Harzwerkstoff 7 der unteren Trägerfolie 3 werden Verstärkungsfasern 8 in der Form von beispielsweise Kohlenstofffasern als Kurzfasern aufgebracht, die aus Reststoffen gefertigt werden, die beispielsweise bei der Herstellung von kohlefaserverstärkten Bauteilen anfallen, die beispielsweise aus Kohlenstoff-Endlosrovings gewonnen werden können.
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Die Verstärkungsfasern können über eine Schneideinrichtung 9 gewonnen werden, welche von Kohlefaserrestwerkstoffen 11 stammen, die über eine Rolle 10 abgestützt in den Erfassungsbereich der Schneideinrichtung 9 einlaufen.
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Auf den Aufbau aus Verstärkungsfasern 8 und dem auf der unteren Trägerfolie aufgebrachten Harzwerkstoff 7 wird eine mit Harzwerkstoff 7 versehene obere Trägerfolie 12 aufgebracht, so dass sich ein SMC Halbzeugband einstellt, welches in nicht näher dargestellter Weise dann in Rollenform aufgewickelt werden kann.
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2 der Zeichnung zeigt in einer schematischen Darstellung einzelne Verarbeitungsschritte zur Herstellung des SMC Halbzeugs und den erfindungsgemäß vorgesehenen Schritt der Beaufschlagung des Fasermatrixhalbzeugs mit Unterdruck sowie den Schritt der nach Verdichtung des Fasermatrixhalbzeugs mit normalem Luftdruck.
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In der in Pfeilrichtung ”A” ersten oder linken Darstellung der 2 ist die untere Trägerfolie 3 mit dem darauf applizierten Harzwerkstoff 7 und die obere Trägerfolie 12 mit dem darauf applizierten Harzwerkstoff 7 dargestellt und es sind Verstärkungsfasern 8 aus Kohlenstoff als Kurzfasern im Bereich zwischen der oberen und der unteren Lage beziehungsweise Schicht des Harzwerkstoffs 7 angeordnet.
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Der in der ersten Darstellung der 2 gezeigte Aufbau stellt sich ein, wenn das SMC Halbzeug unter ganz normalem Umgebungsdruck oder Luftdruck beispielsweise in einer Fertigungshalle zur Herstellung von SMC Prepregs bereitgestellt wird und, wie es ohne weiteres ersichtlich ist, sich zwischen den beiden Harzwerkstofflagen 7 ein Luftspaltraum 13 einstellt, der bei der weiteren Bearbeitung des Aufbaus durch Verdichten beziehungsweise Walken zwischen in 1 der Zeichnung dargestellten Kalandrierwalzen 14 zur Ausbildung von Poren beziehungsweise Luftblasen 15 im Aufbau führt, wie dies anhand der in Richtung des Pfeils A zweiten Darstellung der 2 ersichtlich ist.
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In einem nach der Erfindung vorgesehenen – und in 2 in der in Richtung des Pfeils A ersichtlichen dritten Darstellung gezeigten – weiteren Bearbeitungsschritt wird das nach dem Verdichten beziehungsweise Walken in Rollenform aufgerollte Fasermatrixhalbzeug 2 dann in eine nicht näher dargestellte Kavität eines Autoklaven eingebracht und dort ohne Wärmebehandlung mit einem zweiten Umgebungsdruck beaufschlagt, der niedriger ist als der erste Umgebungsdruck, der sich beispielsweise in der vorstehend erwähnten Fertigungshalle einstellt.
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Der zweite Umgebungsdruck kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die in der Kavität des Autoklaven nach der Einbringung der Fasermatrixhalbzeugrolle vorhandene Umgebungsluft aus der Kavität abgepumpt wird und so ein Unterdruck beziehungsweise ein Vakuum in der Kavität aufgebaut wird und dies dafür sorgt, dass die in den Poren beziehungsweise Luftblasen 15 eingeschlossene Luft aus dem Fasermatrixhalbzeug 2 austritt und aus der Kavität abgepumpt werden kann und auf diese Weise die Größe der Poren beziehungsweise Luftblasen 15 verringert wird beziehungsweise Luftblasen und/oder Poren 15 schon zumindest teilweise aus dem Aufbau des Fasermatrixhalbzeugs 2 verschwinden.
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Der Zustand der Unterdruckbeaufschlagung beziehungsweise der Vakuumbeaufschlagung des Fasermatrixhalbzeugs 2 wird für eine vorbestimmte Zeit aufrechterhalten und dann kann beispielsweise durch ein Öffnen der Kavität des Autoklaven ein Druckausgleich in der Kavität herbeigeführt werden, der zu einer Nachverdichtung des Fasermatrixhalbzeugs 2 durch den dann in der Kavität wieder herrschenden Luftdruck beziehungsweise Umgebungsdruck führt, wodurch die Größe der Poren beziehungsweise Luftblasen 15 weiter verringert wird beziehungsweise die Poren oder Luftblasen 15 im Aufbau des Fasermatrixhalbzeugs 2 vollständig verschwinden.
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Das so bereitgestellte Fasermatrixhalbzeug 2 kann einem Reifeprozess unterzogen werden, der zu einer Andickung der Matrix führt, damit sich die Verstärkungsfasern unter Harzwerkstoff beziehungsweise die Matrix beim späteren Verarbeiten im Formwerkzeug nicht trennen.
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Bei den beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten oberen und unteren Trägerfolien handelt es sich um luftdichte beziehungsweise styroldichte Kunststofffolien, die als Verbundfolien mit mehreren Schichten oder Lagen ausgebildet sein können und die ein Eindringen von Luft aus dem Raum, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Fasermatrixhalbzeugs ausgeführt wird, in den Aufbau durch die Folien hindurch verhindern. Bei den Verstärkungsfasern kann es sich beispielsweise um Kohlenstofffasern handeln, welche in der Zusammensetzung mit Harzwerkstoff und Verstärkungsfasern in einem Faservolumenanteil von beispielsweise 20 bis 65 Prozent vorliegen können.
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Die Herstellung des Fasermatrixhalbzeugs nach dem erfindungsgemäßen Verfahren besitzt den Vorteil, dass aufgrund des Austretens von Luft aus dem Aufbau und der dadurch bedingten Verringerung der Größe von Poren oder Luftblasen in dem Aufbau des SMC Halbzeugs die Druckkräfte zur späteren Verarbeitung des so gewonnenen SMC Halbzeugs in der Werkzeugform verringert werden können, da sich der zum Verdrängen des Materials in der Werkzeugform erforderliche hydrostatische Druck sofort aufbaut und somit eine raschere Formgebung ermöglicht wird.
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Es muss also nicht über eine hohe Druckbeaufschlagung des SMC Prepregs in der Werkzeugform dafür gesorgt werden, dass die Oberflächenqualität des so hergestellten Werkstücks verschlechternde Luftblasen aus dem Aufbau über die hohe Druckbeaufschlagung aus dem Aufbau ausgetragen beziehungsweise ausgetrieben werden. Die Fertigung der Werkstücke läuft effizienter ab.
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Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Fasermatrixhalbzeugs
- 3
- untere Trägerfolie
- 4
- Rolle
- 5
- Endlosband
- 6
- Dosiereinrichtung
- 7
- Harzwerkstoff
- 8
- Verstärkungsfasern
- 9
- Schneideinrichtung
- 10
- Rolle
- 11
- Kohlefaserrestwerkstoff
- 12
- obere Trägerfolie
- 13
- Luftspalt
- 14
- Kalandrierwalzen
- 15
- Poren, Luftblasen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4474845 B1 [0003]
- DE 102013210934 A1 [0005]
