-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils unter Verwendung einer Trägerstruktur zum Formpressen in einem Umformwerkzeug.
-
Bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen, im Folgenden als Faserverbundbauteile bezeichnet, werden flächige Faserhalbzeuge, wie zum Beispiel Fasermatten, mit einem flüssigen oder zähflüssigen Harz, der Matrix, imprägniert und in einem Umformwerkzeug zu dem Bauteil formgepresst und ausgehärtet.
-
Um ein Drapieren während des Umformvorgangs in dem Umformwerkzeug zu ermöglichen, ist es bekannt, die Faserhalbzeuge mit sogenannten „Drapierhilfen” auszugestalten, welche außerhalb der für das spätere Bauteil vorgesehenen Bereiche des Faserhalbzeugs liegen. Diese Drapierhilfen können unter anderem durch einen entsprechend großzügigen Zuschnitt der verwendeten Faserhalbzeuge erzeugt werden, so dass großflächige Randbereiche zur Verwendung als Drapierhilfe erhalten bleiben. Dies führt jedoch zu großen Prozessflächen, die in späteren Verarbeitungsschritten als Verschnitt anfallen und einen Materialeinsatz mit entsprechend hohen Kosten verursachen.
-
Alternativ ist es beispielsweise aus der
DE 10 2011 007 487 A1 bekannt, das Faserhalbzeug konturnah zuzuschneiden, um seine Größe an das spätere Bauteil anzunähern, und auf einer Trägerstruktur aufzubringen. Die Trägerstruktur weist eine größere Oberfläche auf, als das Faserhalbzeug, sodass die Trägerstruktur als Drapierhilfe eingesetzt werden kann. Zusätzlich ist ein Rahmen vorgesehen, welcher die Trägerstruktur aufspannt. Das Faserhalbzeug wird auf der Trägerstruktur positioniert, mit der Matrix imprägniert und gemeinsam umgeformt, sodass die Trägerstruktur im Bauteil verbleibt und unter anderem zu einer Gewichtserhöhung beiträgt sowie die Gefahr eines Bauteilverzuges aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften birgt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches Herstellungsverfahren für ein Faserverbundbauteil bereitzustellen, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Faserverschnitt weitestgehend reduziert und gleichzeitig ein geringes Bauteilgewicht ermöglicht, sowie ein Einbetten eines Fremdmaterials, wie der Trägerstruktur, vermieden werden.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Patentansprüchen.
-
Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils vorgestellt, mit mindestens den folgenden Schritten:
- – Bereitstellen einer flächigen Trägerstruktur,
- – Anordnen einer Trennfolie auf der Trägerstruktur, und
- – Anordnen eines Faserhalbzeugs, welches mindestens eine Faserlage umfasst, auf der Trennfolie zum Erzeugen einer Lagenanordnung, so dass die Trennfolie zwischen der Trägerstruktur und dem Faserhalbzeug positioniert ist,
- – Formpressen und Härten der Lagenanordnung in einem Umformwerkzeug, und
- – Trennen des formgepressten und gehärteten Faserhalbzeugs von der Trennfolie und/oder der Trägerstruktur.
-
Aufgrund der Verwendung der Trägerstruktur kann eine Handhabung bei einem eventuell erforderlichen Transport, einem Umbetten oder zum Drapieren vorzugsweise über die Trägerstruktur erfolgen, indem entsprechende Werkzeuge an dieser angreifen. Somit ist es möglich, das Faserhalbzeug endkonturnah beziehungsweise auf eine für das spätere Bauteil erforderliche Größe zu reduzieren und somit möglichst klein zu halten. Zusätzliche Materialüberhänge zum Greifen und zum Drapieren des Faserhalbzeugs (insbesondere bei großen Umformgraden des Faserhalbzeugs) entfallen und werden stattdessen durch die Trägerstruktur bereitgestellt, auf der das Faserhalbzeug (getrennt durch die Trennfolie) aufgebracht ist.
-
Mit der zwischen dem Faserhalbzeug und der Trägerstruktur angeordneten Trennfolie wird eine Lagenanordnung aus mindestens den drei genannten Lagen erzeugt. Hierbei bewirkt die Trennfolie, dass eine flächige stoffschlüssige Verbindung des Faserhalbzeugs und der Trägerstruktur über die zur Imprägnierung des Faserhalbzeugs vorgesehenen Matrix verhindert wird.
-
Andernfalls würde eine gemeinsame Matriximprägnierung nach einem gemeinsamen und stoffschlüssigen Aushärten beider Lagen zu einem untrennbaren Anhaften der Trägerstruktur an dem Faserhalbzeug führen. Stattdessen kann die Trennfolie und mit dieser die Trägerstruktur im Anschluss an das Formpressen und Härten leicht von dem Faserhalbzeug getrennt werden, das an dieser Stelle des Verfahrens in formgepresstem und gehärtetem Zustand vorliegt und somit dem zu erzeugenden Faserverbundbauteil entspricht. Das Trennen kann vorzugsweise ein Ablösen von der Trennfolie umfassen, welches durch eine möglichst geringe Anhaftung der Matrix an der Trennfolie begünstigt werden kann.
-
Alternativ kann die Trennfolie an dem formgepressten und gehärteten Faserhalbzeug (flächig) anhaftend verbleiben und gemeinsam mit diesem von der Trägerstruktur abgelöst werden, so dass ebenfalls eine Einbettung der Trägerstruktur in das Faserverbundbauteil vermieden werden kann.
-
Des Weiteren kann das Verfahren vor dem Schritt des Trennens außerdem einen Schritt des Beschneidens der formgepressten und gehärteten Lagenanordnung umfassen. Auf diese Weise können Randbereiche der gesamten Lagenanordnung abgetrennt und das gehärtete Faserhalbzeug auf eine gewünschte Geometrie, zum Beispiel des zu erzeugenden Faserverbundbauteils, zugeschnitten werden. Die Lagenanordnung lässt sich hierzu durch Greifen der Trägerstruktur, beispielsweise zum Entnehmen aus dem Umformwerkzeug und Zuführen zu einer Schneidvorrichtung, leicht handhaben.
-
Die Trägerstruktur kann beispielsweise ein textiles Trägermaterial, insbesondere ein Gewebe, Geflecht, Gelege oder Gewirke, oder eine Folie sein. Als textile Werkstoffe eignen sich beispielsweise Faserwerkstoffe, insbesondere aus Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Kunstfasern oder Naturfasern sowie Mischungen dieser genannten Fasern. Als Werkstoffe für eine als Folie ausgebildete Trägerstruktur kommen insbesondere Folien aus Metall oder Kunststoff in Betracht.
-
Das Faserhalbzeug kann vorzugsweise als eine Faserlage in Form eines Gewebes, Geleges, Geflechts, Gewirkes oder Vlies ausgebildet sein. Als Werkstoffe des Faserhalbzeugs eignen sich beispielsweise Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, Kunstfasern oder Naturfasern sowie Mischungen dieser genannten Fasern.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Faserhalbzeug eine stapelförmige Anordnung von mehreren Faserlagen. Hierbei kann jede einzelne der Faserlagen in den genannten Formen und aus den genannten Werkstoffen gefertigt sein. Die Faserlagen können entweder alle dieselbe Geometrie aufweisen und zu einem Stapel mit einheitlicher Außengeometrie gestapelt sein. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, dass die einzelnen Faserlagen in ihrer Geometrie voneinander abweichen.
-
Des Weiteren kann das Verfahren einen Schritt des lokalen Verbindens des Faserhalbzeugs, der Trennfolie und der Trägerstruktur umfassen, insbesondere mittels Vernähen, Verschweißen, Klammern und/oder Verkleben. Auf diese Weise kann ein Zusammenhalt der Lagenanordnung, beispielsweise bei einem Transport oder beim Formpressen, sichergestellt und ein gegenseitiges Verrutschen der Trägerstruktur, der Trennfolie und/oder des Faserhalbzeugs während der anschließenden Verfahrensschritte verhindert werden. Vorzugsweise kann das Faserhalbzeug zusätzlich zu der für das spätere Bauteil unbedingt erforderlichen Geometrie einen oder mehrere zusätzlichen Randbereiche aufweisen, in welchen das lokale Verbinden erfolgt. Vorzugsweise ist ein umlaufender Randbereich des Faserhalbzeugs vorgesehen, so dass die lokale Verbindung umlaufend im Bereich eines äußeren Randes des Faserhalbzeugs erfolgt.
-
In jedem Fall können diese Randbereiche bei einem späteren Zuschnitt von dem Faserhalbzeug abgetrennt werden. Auf diese Weise wird die lokale Verbindung mit der Trennfolie und/oder der Trägerstruktur ebenfalls abgeschnitten, so dass das Faserhalbzeug mangels weiterer Verbindung leicht zumindest von einer oder beiden dieser Lagen getrennt werden kann.
-
Entsprechend einer Ausführungsform kann das Faserhalbzeug in einem mit einer Matrix vorimprägnierten Zustand auf der Trennfolie angeordnet werden. Dies bedeutet, dass das Faserhalbzeug als sogenannter „Prepreg” bereits imprägniert ist und in diesem Zustand, auf die Trennfolie aufgebracht wird. Zwar gestaltet sich das Verbinden in diesem Fall aufgrund des bereits imprägnierten Faserhalbzeugs mit höherem Verschmutzungsaufwand, jedoch steht der auf diese Weise erzeugte Lagenaufbau anschließend unmittelbar für ein Formpressen bereit.
-
Alternativ ist es möglich, dass das Faserhalbzeug in einem matrix-freien Zustand auf der Trennfolie angeordnet wird, und das Verfahren einen anschließenden Schritt des Imprägnierens mit der Matrix umfasst. Dies bedeutet, dass die gesamte Lagenanordnung zunächst in einem noch nicht imprägnierten Zustand erzeugt wird, so dass in diesem Fall der optional vorgesehene Schritt des lokalen Verbindens ebenfalls im trockenen (also matrixfreien) Zustand erfolgen kann. Erst anschließend wird die Matrix auf die erzeugte Lagenanordnung aufgebracht.
-
Der Schritt des Imprägnierens mit der Matrix kann erfolgen, nachdem das Faserhalbzeug auf der Trennfolie angeordnet wurde und bevor der Schritt des Formpressens ausgeführt wird. Der Matrixeintrag kann entweder außerhalb des Umformwerkzeugs, also vor einem Einlegen der Lagenanordnung in das Umformwerkzeug, erfolgen oder erst nach Einlegen in das Umformwerkzeug. In beiden Fällen kann das Faserhalbzeug beziehungsweise die Lagenanordnung gemäß dem sogenannten „Nasspress”-Verfahren verarbeitet und ein entsprechendes Nasspresswerkzeug als Umformwerkzeug eingesetzt werden.
-
Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt des Imprägnierens mit der Matrix während des Formpressens in dem Umformwerkzeug erfolgen. Dies bedeutet, dass die Lagenanordnung in das Umformwerkzeug eingelegt und die Matrix bei geschlossenem Umformwerkzeug während des Formpressens injiziert wird. In diesem Fall kann das Faserhalbzeug beziehungsweise die Lagenanordnung gemäß dem sogenannten „Resin-Transfer-Moulding” (kurz: RTM) verarbeitet und ein entsprechendes RTM-Werkzeug als Umformwerkzeug eingesetzt werden. Hierbei kann die Lagenanordnung entweder in trockenem Zustand oder in einem zumindest teilweise vorimprägnierten Zustand in das Umformwerkzeug eingelegt werden.
-
In jedem Fall ermöglicht das beschriebene Verfahren auf besonders einfache und kostengünstige Weise die Herstellung eines Faserverbundbauteils. Aufgrund eines endkonturnahen und somit optimalen Zuschnitts des Faserhalbzeugs und der weiterhin sichergestellten Handhabbarkeit über die Trägerstruktur kann hierbei einerseits kostspieliges Fasermaterial eingespart und andererseits mit Hilfe der zwischengeordneten Trennfolie die Trägerstruktur leicht abgetrennt werden, so dass ein Bauteilgewicht reduziert und Fremdmaterialen entfernt werden können, die ansonsten im Falle einer Einbettung in das Faserverbundbauteil aufgrund abweichender Materialeigenschaften unter Umständen einen Verzug des Faserverbundbauteils bewirken könnten.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Seitenansicht einer Lagenanordnung zur Erzeugung eines Faserverbundbauteils gemäß der Beschreibung,
-
2 eine Draufsicht auf die Lagenanordnung gemäß 1, und
-
3 die Lagenanordnung mit gehärtetem und abgetrenntem Faserhalbzeug beziehungsweise Faserverbundbauteil in einer seitlichen Ansicht.
-
1 zeigt in einer nicht-maßstäblichen Seitenansicht eine mit einem Verfahren gemäß der Beschreibung hergestellte Lagenanordnung 10 für die Erzeugung eines Faserverbundbauteils 33. Die Lagenanordnung 10 umfasst eine flächige Trägerstruktur 11, auf deren Oberfläche eine Trennfolie 12 flächig aufgebracht ist. Auf einer der Trägerstruktur 11 abgewandten Oberfläche der Trennfolie 12 ist ebenfalls flächig ein Faserhalbzeug 13 angeordnet, so dass die Trennfolie 12 zwischen der Trägerstruktur 11 und dem Faserhalbzeug 13 positioniert ist. Hierbei kann die Trägerstruktur 11 zum Beispiel als textiles Trägermaterial, insbesondere als Gewebe, Geflecht, Gelege oder Gewirke, oder Folie ausgeführt sein. Das Faserhalbzeug 13 kann lediglich eine Faserlage oder eine stapelförmige Anordnung von mehreren Faserlagen umfassen, wobei jede der Faserlagen ein Gewebe, Gelege, Geflecht, Gewirke oder Vlies sein kann.
-
Die Herstellung erfolgt unter Anwendung des Verfahrens mit mindestens den folgenden Schritten:
- – Bereitstellen der flächigen Trägerstruktur 11,
- – Anordnen der Trennfolie 12 auf der Trägerstruktur 11, und
- – Anordnen des Faserhalbzeugs 12, welches mindestens eine Faserlage umfasst, auf der auf der Trägerstruktur 11 angeordneten Trennfolie 12 zum Erzeugen der Lagenanordnung 10, so dass die Trennfolie 12 zwischen der Trägerstruktur 11 und dem Faserhalbzeug 13 positioniert ist.
-
Die Lagenanordnung 10 wird weiterverarbeitet, indem ein Formpressen und Härten der Lagenanordnung 10 in einem Umformwerkzeug (nicht dargestellt) erfolgt. Nachfolgend erfolgt ein in 3 dargestelltes Trennen des formgepressten und gehärteten Faserhalbzeugs 13 von der Trennfolie 12 und der Trägerstruktur 11. Das formgepresste und gehärtete Faserhalbzeug 13 stellt in diesem Zustand das erzeugte Faserverbundbauteil 33 dar.
-
Alternativ und daher nicht dargestellt, kann die Trennfolie an dem Faserverbundbauteil 33 verbleiben und stattdessen gemeinsam mit diesem von der Trägerstruktur 11 abgelöst werden.
-
Das Verfahren kann zusätzlich einen Schritt des lokalen Verbindens des Faserhalbzeugs 13, der Trennfolie 12 und der Trägerstruktur 11 umfassen. Das lokale Verbinden wird vor dem Formpressen durchgeführt und kann insbesondere mittels Vernähen, Verschweißen, Klammern und/oder Verkleben erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform ist ein lokales Verbinden entlang einer Verbindungslinie 24 vorgesehen, die im Randbereich und beabstandet zu dem Rand des Faserhalbzeugs 13 verläuft.
-
Vorzugsweise kann das Verfahren vor dem Schritt des Trennens außerdem einen Schritt des Beschneidens der formgepressten und gehärteten Lagenanordnung 10 umfassen. Eine beispielhafte Beschnittlinie 15 ist in 2 dargestellt. Diese liegt ebenfalls im Randbereich des Faserhalbzeugs 13 und ist beabstandet zu der Verbindungslinie 24 auf einer dem Rand abgewandten Seite der Verbindungslinie 24, also bezüglich des Faserhalbzeugs innenliegend angeordnet.
-
Das beschriebene Verfahren kann derart ausgestaltet sein, dass das Faserhalbzeug 13 in einem mit einer Matrix vorimprägnierten Zustand auf der Trennfolie 12 angeordnet wird.
-
Alternativ kann das Faserhalbzeug 13 in einem trockenen Zustand auf der Trennfolie 12 angeordnet werden, und das Verfahren zusätzlich einen anschließenden Schritt des Imprägnierens mit der Matrix umfassen. Hierbei kann der Schritt des Imprägnierens der Matrix erst erfolgen, nachdem das Faserhalbzeug 13 auf der Trennfolie 12 angeordnet wurde und bevor der Schritt des Formpressens erfolgt.
-
Alternativ oder zusätzlich, kann der Schritt des Imprägnierens mit der Matrix aber auch während des Formpressens in dem Umformwerkzeug erfolgen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011007487 A1 [0004]
