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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pressvorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Fasermaterial und Matrixwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Fasermaterial und Matrixwerkstoff mittels einer Pressvorrichtung.
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Faserverbundbauteile, die in der Literatur oftmals auch als faserverstärkte Bauteile bezeichnet werden, weisen einen ausgehärteten Matrixwerkstoff, z.B. ein Harz, auf, in das ein Fasermaterial aus Verstärkungsfasern eingebunden ist. Die Verstärkungsfasern liegen im Faserverbundbauteil beispielsweise als Gelege, z.B. aus Wirr- und/oder Kurzfasern, oder als Geflecht, z.B. aus einem TowPreg, vor. Für die Herstellung von Faserverbundbauteilen haben sich insbesondere zwei Verfahren durchgesetzt, das Nasspressen und das Injektionsverfahren, welches auch unter den Bezeichnungen „Spritzpressen“ oder „Resin Transfer Moulding“ bzw. unter der Kurzbezeichnung „RTM-Verfahren“ bekannt ist.
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Beim Nasspressen wird zunächst auf einem Fasermaterial, wie z.B. einem Halbzeug, Vorformling oder dergleichen, ein flüssiger Matrixwerkstoff aufgetragen, z.B. durch Aufsprühen, im Tauchbad etc. Das Fasermaterial wird somit mit dem Matrixwerkstoff vorvernetzt. Ein solches Fasermaterial wird auch als „preimpregnated“ bzw. „Pre-Preg“ bezeichnet und weist oftmals eine von der Form des fertigen Faserverbundbauteils abweichende Form auf. PrePreg können daher beispielsweise platten- oder zylinderförmig ausgebildet sein. In einem zweiten Schritt wird das vorvernetzte Fasermaterial in eine Kavität einer meist zweiteiligen Pressvorrichtung eingebracht und unter einem Pressdruck von der Pressvorrichtung verpresst, indem die beiden Teile der Pressvorrichtung zusammengefahren werden. Dieser Vorgang wird auch als Schließen der Pressvorrichtung bezeichnet. Hierbei nimmt das Fasermaterial eine Form bzw. Kontur der Kavität an. In einigen Anwendungsfällen kann das Fasermaterial bereits vor dem Einbringen in die Pressvorrichtung eine Form aufweisen, die der Form der Kavität entspricht bzw. zumindest im Wesentlichen entspricht. Derartiges Fasermaterial wird auch als Vorformling bezeichnet. Nach dem Verpressen bzw. während des Verpressens erfolgt eine Aushärtung des vernetzten Fasermaterials. Hierfür wird die Pressvorrichtung in Abhängigkeit des verwendeten Matrixwerkstoffs beispielsweise auf eine Temperatur zwischen ca. 80° und 130°C erwärmt. Nach dem Aushärten erfolgt die Entformung des Faserverbundbauteils sowie ggf. eine Nachbearbeitung, wie z.B. Entgraten. Ein Nachteil beim Nasspressen ist insbesondere die Prozessführung beim Verpressen und Aushärten, um eine gleichmäßige Verteilung bzw. Vernetzung des Matrixwerkstoffs zu erzielen. Nach dem Schließen der Pressvorrichtung kann der Druck im Presswerkzeug beim Aushärten des Matrixwerkstoffs nicht gehalten werden und fällt ab. Hierdurch kann es zu lokalen Unregelmäßigkeiten der Verteilung des Matrixwerkstoffs bis hin zu Lufteinschlüssen kommen, die eine Schwächung des Faserverbundbauteils bzw. ggf. zu optischen Beeinträchtigungen führen. Die Folge ist eine erhöhte Ausschussrate und somit erhöhte Herstellungskosten.
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Beim RTM-Verfahren wird das Fasermaterial, z.B. plattenförmiges Halbzeug oder dergleichen, in Abhängigkeit einer vorgegebenen Form des zu erzeugenden Faserverbundbauteils in einem ersten Schritt zunächst in einem Vorformwerkzeug zu einem Vorformling vorgeformt, wobei die Form des vorgeformten Vorformlings der Form des zu erzeugenden Faserverbundbauteils entspricht bzw. im Wesentlichen entspricht. Das Vorformen findet unter einem Vorformdruck und ggf. unter Wärmezufuhr statt. Anschließend wird der vorgeformte Vorformling, der auch als „Preform“ bezeichnet wird, aus dem Vorformwerkzeug entformt und in eine Kavität einer Pressvorrichtung eingebracht. Die Pressvorrichtung wird geschlossen, wobei es vorgesehen sein kann, dass hierbei ein Pressdruck von der Pressvorrichtung auf den Vorformling ausgeübt wird. Auf diese Weise kann der Vorformling weiter verformt werden. In einem folgenden Schritt erfolgt eine Injektion des Matrixwerkstoffs, wie z.B. Harz, in die Kavität der Pressvorrichtung mittels einer an der Pressvorrichtung angeordneten Injektionsvorrichtung, wobei eine Vernetzung des Vorformlings mit dem Matrixwerkstoff erfolgt. Der Matrixwerkstoff wird anschließend ausgehärtet. Hierfür wird die Pressvorrichtung in Abhängigkeit des verwendeten Matrixwerkstoffs beispielsweise auf eine Temperatur zwischen ca. 80° und 130°C erwärmt. Nach dem Aushärten erfolgt die Entformung des Faserverbundbauteils sowie ggf. eine Nachbearbeitung, wie z.B. Entgraten. Ein Nachteil beim RTM-Verfahren ist, dass während bzw. insbesondere zum Ende der Injektionsphase Matrixwerkstoff in der Injektionsvorrichtung verhärten kann. Dies kann zur Blockade bzw. zumindest partiellen Blockade der Injektionsvorrichtung führen und somit den Injektionsprozess behindern. Die Injektionsvorrichtung muss daher regelmäßig aufwendig gereinigt werden, wodurch die Produktion verzögert und die Fertigungskosten erhöht werden. Überdies kann es während der Injektionsphase zu partiellen Verfestigungen des Matrixwerkstoffs im Vorformling kommen, die ein gleichmäßiges Vernetzen des Vorformlings mit Matrixwerkstoff behindern bzw. blockieren. Dies kann insbesondere in Bereichen des Vorformlings, die einen relativ großen Abstand zur Injektionsvorrichtung aufweisen, zu lokalen Lufteinschlüssen führen, die eine Schwächung des Faserverbundbauteils bewirken bzw. ggf. zu optischen Beeinträchtigungen führen. Die Folge sind eine erhöhte Ausschussrate und somit erhöhte Herstellungskosten.
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Aus dem Beitrag von Prof. Dr.-Ing. W. Michaeli, „Kurze Zykluszeit - hohe Qualität“ ist ein Verfahren bekannt, bei welchem Preforms vor dem Einbringen in eine Form imprägniert werden. Die
DE 10 2014 005 629 A1 offenbart ein Formwerkzeug mit einer Nebenkavität, welche ein vergrößerbares Volumen aufweist. Die
EP 2 447 049 A1 beschreibt ein Verfahren bei welchem eine Preform bei geöffneter Pressform imprägniert wird. Aus der
DE 10 2012 110 307 A1 ist ein Hochdruck-Harztransferpressverfahren bekannt, bei welchem überschüssiges Harz in Nebenkavitäten aufgenommen wird. Die
EP 2 181 834 A2 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Gurts eines Rotorblatts einer Windenergieanlage, wobei Matrixmaterial mittels Unterdruck in Fasermaterial hineingesaugt wird.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Pressvorrichtung sowie einem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils zu beheben bzw. zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Pressvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Fasermaterial und Matrixwerkstoff zu schaffen, die auf einer einfache und kostengünstige Art und Weise eine gleichmäßige Vernetzung des Fasermaterials mit Matrixwerkstoff gewährleisten und somit eine Effizienz der Herstellung von Faserverbundbauteilen verbessern.
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Voranstehende Aufgabe wird durch eine Pressvorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Pressvorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Fasermaterial und einem Matrixwerkstoff gelöst. Die Pressvorrichtung weist eine Pressform zur Aufnahme des Fasermaterials sowie zum Ausüben einer Druckkraft auf das Fasermaterial auf. Die Pressform weist mindestens eine erste Teilform und eine zweite Teilform auf, die relativ zueinander bewegbar sind. Ferner weist die Pressform eine Hauptkavität zur Formgebung des Fasermaterials auf. Erfindungsgemäß weist die Pressform mindestens eine Speichervorrichtung zur Aufnahme von Matrixwerkstoff aus der Hauptkavität auf, wobei die mindestens eine Speichervorrichtung eine Nebenkavität zur Aufnahme des Matrixwerkstoffs und einen zumindest teilweise innerhalb der Nebenkavität angeordneten Druckkolben aufweist. Die mindestens eine Nebenkavität grenzt zumindest bei geschlossener Pressform an die Hauptkavität an. Der Druckkolben ist relativ zur Nebenkavität beweglich ausgebildet.
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Die Pressvorrichtung ist beispielsweise zum Durchführen eines Nasspressverfahrens ausgebildet. Zur Aufnahme sowie zum Zusammenpressen des Fasermaterials weist die Pressvorrichtung eine Pressform auf. Hierfür weist die Pressform mindestens eine erste Teilform und eine zweite Teilform auf, die relativ zueinander bewegbar sind. In einer ersten Relativposition von erster Teilform und zweiter Teilform ist die Pressform geöffnet, in einer zweiten Relativposition von erster Teilform und zweiter Teilform ist die Pressform geschlossen. In der ersten Relativposition ist das Fasermaterial in die Hauptkavität der Pressform einbringbar bzw. das fertige Faserverbundbauteil aus der Pressform entnehmbar bzw. entformbar. In der zweiten Relativposition bzw. in einem Abschnitt von der ersten Relativposition zur zweiten Relativposition kann das in der Hauptkavität angeordnete Fasermaterial von der Pressvorrichtung mittels einer Druckkraft verpresst werden. In der zweiten Relativposition ist die Pressvorrichtung vorzugsweise nach außen geschlossen, so dass in der Hauptkavität ein Druck aufbaubar ist, der höher als ein Umgebungsdruck der Pressvorrichtung ist und dabei vorzugsweise kein Matrixwerkstoff aus der Pressvorrichtung herausgepresst wird. Die Hauptkavität ist zur Formgebung des Fasermaterials ausgebildet und weist daher vorzugsweise eine Form auf, die einer Form des zu erzeugenden Faserverbundbauteils entspricht bzw. im Wesentlichen entspricht.
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Erfindungsgemäß weist die Pressform eine Speichervorrichtung auf, die zur Aufnahme von Matrixwerkstoff aus der Hauptkavität ausgebildet ist. Die Speichervorrichtung ist demnach derart an der Hauptkavität angeordnet, dass beim Schließen der Pressform bzw. beim Injektionsvorgang Matrixwerkstoff aus der Hauptkavität in die Speichervorrichtung verdrängbar ist. Zur Aufnahme des Matrixwerkstoffs weist die Pressvorrichtung eine Nebenkavität auf, die an die Hauptkavität fluidkommunizierend angebunden ist bzw. direkt an die Hauptkavität angrenzt. Zusätzlich weist die Speichervorrichtung eine Befüllvorrichtung zum Befüllen der Speichervorrichtung mit zusätzlichem Matrixwerkstoff auf, der nicht aus der Hauptkavität stammt. Dies kann insbesondere für die Erzeugung besonders großer Faserverbundbauteile von Vorteil sein, um eine gleichmäßige Verteilung des Matrixwerkstoffs zu erreichen.
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Innerhalb der Nebenkavität ist ein Druckkolben bewegbar angeordnet. Der Druckkolben ist vorzugsweise derart innerhalb der Nebenkavität angeordnet, dass mittels des Druckkolbens die Nebenkavität in zwei Bereiche, vorzugsweise abdichtend, unterteilbar ist. Der Druckkolben ist innerhalb der Nebenkavität verschiebbar, wodurch die zwei Bereiche der Nebenkavität entsprechend veränderbar sind. Daher weist die Nebenkavität vorzugsweise entlang einem Verschiebeweg des Druckkolbens eine konstante Querschnittsfläche auf. Vorzugsweise ist die Nebenkavität hohlzylinderförmig, hohlquaderförmig oder ähnlich ausgebildet. Vorzugsweise ist der Druckkolben entlang einer Längsachse der Nebenkavität verschiebbar. Es kann vorgesehen sein, dass mittels des Druckkolbens ein Unterdruck innerhalb der Nebenkavität erzeugbar ist, um somit Matrixwerkstoff anzusaugen, z.B. von einer Injektionsvorrichtung in die Hauptkavität, von dem Faserwerkmaterial in Richtung Nebenkavität oder von der Hauptkavität in die Nebenkavität.
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Die erfindungsgemäße Pressvorrichtung hat gegenüber herkömmlichen Pressvorrichtungen u.a. den Vorteil, dass eine bessere Verteilung des Matrixwerkstoffs im Fasermaterial erzielbar und somit die Bildung von Lufteinschlüssen im fertigen Faserverbundbauteil vermeidbar ist. Mittels der Speichervorrichtung ist beim Schließen der Pressform zunächst überschüssiger Matrixwerkstoff in der Nebenkavität aufnehmbar und anschließend von der Nebenkavität wieder an die Hauptkavität abgebbar bzw. durch ein entsprechendes Verschieben des Druckkolbens in die Hauptkavität hineinpressbar. Somit kann ein Druckabfall des Innendrucks innerhalb der Pressform auch nach dem Schließen der Pressform bzw. nach dem Injektionsvorgang vermieden bzw. zumindest reduziert werden. Erfindungsgemäß kann die Speichervorrichtung auch ausgebildet sein, nach dem Schließen der Pressform bzw. nach dem Injektionsvorgang den Innendruck innerhalb der Pressform durch entsprechendes Einpressen bzw. Zurückpressen des Matrixwerkstoffs zu erhöhen. Mittels der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung können somit die Fertigungsqualität von Faserverbundbauteilen verbessert und Fertigungskosten von Faserverbundbauteilen verringert werden. In dem Fall, dass die Speichervorrichtung in einer Oberform der Pressform angeordnet ist, kann die Notwendigkeit einer zusätzlichen Luftfalle entfallen. Ein etwaiges Antrocknen von Matrixmaterial in der Nebenkavität stellt kein Problem dar, da das angetrocknete Matrixmaterial beim Entformen des Faserverbundbauteils am Faserverbundbauteil angebunden und somit mit diesem leicht entformbar ist. Daher ist eine Ausbildung der Nebenkavität bevorzugt, die das Entformen erleichtern, z.B. ohne Hinterschneidung, mit einer hinreichend großen Öffnung zur Hauptkavität oder dergleichen. In einem zusätzlichen Arbeitsschritt kann das angebundene Matrixmaterial aus der Nebenkavität leicht vom Faserverbundbauteil entfernt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Pressvorrichtung vorgesehen sein, dass die Hauptkavität vollständig oder zumindest teilweise in der ersten Teilform ausgebildet ist. Bei einer vollständig in der ersten Teilform ausgebildeten Hauptkavität bildet die zweite Teilform einen Deckel zum Schließen der Hauptkavität. Dabei sind Hinterschneidungen zu vermeiden, damit das fertige Faserverbundbauteil entformbar ist. Derartige Pressformen weisen eine relativ geringe Komplexität auf, sind leicht herstellbar und beim Schließen gut abdichtbar. Alternativ kann die Hauptkavität auch teilweise in der ersten Teilform und teilweise in der zweiten Teilform ausgebildet sein. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das zu erzeugende Faserverbundbauteil mindestens eine Hinterschneidung aufweist. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Teilform und/oder zweite Teilform Vorsprünge, Formkörper oder dergleichen zum Formen bzw. Begrenzen des Fasermaterials aufweisen.
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Vorzugsweise ist bei einer Pressvorrichtung zumindest ein Teilbereich der Hauptkavität seitlich von einer Konturwand der ersten Teilform begrenzt, wobei die zweite Teilform beim Zusammenpressen mit der ersten Teilform mit der Konturwand in Kontakt bringbar, vorzugsweise durchgehend bzw. umlaufend, ist. Somit wird ein Heraustreten des Matrixwerkstoffs zwischen der Konturwand und der zweiten Teilform vermieden bzw. zumindest reduziert.
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Weiter bevorzugt ist bei einer Pressvorrichtung die zweite Teilform ausgebildet, bei geschlossener Pressform zumindest teilweise in die erste Teilform hineinzuragen Die zweite Teilform ist somit zum Eintauchen in die erste Teilform ausgebildet. Es kann demnach vorgesehen sein, dass die zweite Teilform ausgebildet ist, durch das Eintauchen in die Hauptkavität der ersten Teilform die Hauptkavität zu verkleinern. Dabei ist es bevorzugt, dass die zweite Teilform seitlich abdichtend bzw. im Wesentlichen abdichtend in die Hauptkavität bzw. innerhalb der Hauptkavität der ersten Teilform, z.B. linear, bewegbar ist. Ein derartiges Hineinragen hat insbesondere den Vorteil, dass somit eine stärkere Verformung des Fasermaterials bzw. stärkere Verdrängung des Matrixwerkstoffs möglich ist.
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Es kann erfindungsgemäß bei einer Pressvorrichtung vorgesehen sein, dass die Nebenkavität der mindestens einen Speichervorrichtung in der ersten Teilform ausgebildet ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Hauptkavität vollständig oder zumindest teilweise in der ersten Teilform ausgebildet ist, da somit die Nebenkavität auch bei geöffneter bzw. teilweise geschlossener Pressform an der Hauptkavität fluidkommunizierend angeordnet ist. Matrixwerkstoff eines in der ersten Teilform eingelegten PrePregs kann somit beispielsweise bereits vor dem Schließen der Pressform in die Nebenkavität fließen.
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Zusätzlich kann erfindungsgemäß bei einer Pressvorrichtung vorgesehen sein, dass die Pressvorrichtung mindestens eine zweite Speichervorrichtung mit einer zweiten Nebenkavität und einem zweiten Druckkolben aufweist, wobei die zweite Nebenkavität in der zweiten Teilform ausgebildet ist. Die zweite Nebenkavität grenzt zumindest bei geschlossener Pressform an die Hauptkavität an. Der zweite Druckkolben ist zum Zurückpressen des aufgenommenen Matrixwerkstoffs von der zweiten Nebenkavität in die Hauptkavität ausgebildet. Auf diese Weise kann eine Verteilung des Matrixwerkstoffs im Fasermaterial weiter verbessert werden. Dies ist insbesondere bei relativ großen Faserverbundbauteilen von Vorteil. Ferner kann auf eine zusätzliche Luftfalle verzichtet werden, wenn zumindest eine Speichervorrichtung an einer Oberform der Pressform angeordnet ist. Überschüssige Luft ist demnach von der entsprechenden Speichervorrichtung aus der Hauptkavität aufnehmbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Teilform als Unterform und die zweite Teilform als Oberform ausgebildet. Eine Unterform mit Hauptkavität bzw. zumindest einem Teil der Hauptkavität hat den Vorteil, dass ein Abfließen des Matrixwerkstoffs aus der Hauptkavität auch bei geöffneter Pressform vermieden wird bzw. vermeidbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die zweite Teilform eine als Luftfalle ausgebildete Ausnehmung auf, die zumindest bei geschlossener Pressform an die Hauptkavität angrenzt. Nach oben entweichende bzw. verdrängte Luft ist somit von der Luftfalle auffangbar und verbleibt nicht im Fasermaterial. Somit können Lufteinschlüsse im Faserverbundbauteil bzw. Oberflächendeformationen des Faserverbundbauteils vermieden werden.
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In der zweiten Teilform und/oder der ersten Teilform ist eine Injiziervorrichtung zum Injizieren von Matrixwerkstoff in die Hauptkavität angeordnet. Die Injiziervorrichtung ist zum Durchführen eines RTM-Verfahrens ausgebildet. Die Injiziervorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, frischen Matrixwerkstoff zu injizieren. Frischer Matrixwerkstoff ist im Sinne der Erfindung Matrixwerkstoff, der nicht aus der Hauptkavität verdrängt worden ist. Ferner weist eine Injiziervorrichtung vorzugsweise eine Druckerzeugungsvorrichtung auf, die zur Erzeugung eines Injektionsdrucks des Matrixwerkstoffs zum Pressen des flüssigen Matrixwerkstoffs in die Hauptkavität ausgebildet ist. Die Injiziervorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, einen Rückfluss von Matrixwerkstoff aus der Hauptkavität in die Injiziervorrichtung zu blockieren. Eine derartige Pressvorrichtung hat den Vorteil, dass diese sowohl für ein Nasspressverfahren als auch ein RTM-Verfahren verwendbar ist. Ferner ist mittels der erfindungsgemäßen Pressvorrichtung eine besonders gleichmäßige bzw. lufteinschlussfreie Verteilung des Matrixwerkstoffs im Fasermaterial erzielbar. Durch die Speichervorrichtung ist ein Eintrocknen von Matrixwerkstoff in der Injiziervorrichtung vermeidbar, da zumindest ein an die Hauptkavität angrenzender Teilbereich der Injiziervorrichtung beim Injizieren komplett von Matrixmaterial entleerbar ist. Aufgrund der Speichervorrichtung ist ein Innendruck in der Pressform weiterhin kontrollierbar.
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Es kann erfindungsgemäß bei einer Pressvorrichtung vorgesehen sein, dass in einem Kontaktbereich der ersten Teilform mit der zweiten Teilform eine Dichtungsvorrichtung an der ersten Teilform und/oder der zweiten Teilform angeordnet ist. Beim Schließen der Pressform ist die Hauptkavität somit über die Dichtungsvorrichtung nach außen abgedichtet. Eine Dichtungsvorrichtung kann beispielsweise eine umlaufende Nut oder einen umlaufenden Absatz aufweisen, in der vorzugsweise ein Dichtring aus Gummi, Silikon oder dergleichen angeordnet ist. Die Dichtungsvorrichtung kann auch eine Labyrinthdichtung aufweisen. Eine Dichtungsvorrichtung hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig ein Entweichen von Matrixmaterial aus der Pressform besser vermeidbar ist. Ferner kann somit ein Innendruck in der Hauptkavität besser erzeugt bzw. aufrechtgehalten werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann bei einer Pressvorrichtung vorgesehen sein, dass die Nebenkavität zumindest bei geschlossener Pressform an einem Randbereich der Hauptkavität angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Verteilung im Randbereich des Fasermaterials verbessert ist. Ferner ist in der Nebenkavität ausgehärtetes Matrixmaterial an einem Randbereich des Faserverbundbauteils angebunden und ist von diesem Randbereich leicht entfernbar. Insbesondere bei großen Faserverbundbauteilen ist eine Speichervorrichtung an einem Randbereich der Hauptkavität von Vorteil, da der Matrixwerkstoff oftmals durch partielles Aushärten ein Durchdringen der Randbereiche des Fasermaterials hemmt oder gar blockiert.
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Alternativ ist bevorzugt, dass die Nebenkavität zumindest bei geschlossener Pressform seitlich neben der Hauptkavität angeordnet ist, wobei eine Überlaufwand zwischen der Hauptkavität und der Nebenkavität angeordnet ist. Weiter bevorzugt ist eine Luftfalle oberhalb der Nebenkavität in der Oberform ausgebildet. Mittels einer derartigen Pressvorrichtung ist der Matrixwerkstoff von der Nebenkavität über die Überlaufwand in die Hauptkavität pressbar. Überschüssiger Matrixwerkstoff kann in einem Teilbereich der Nebenkavität sowie in einem Bereich zwischen einer Oberseite der Überlaufwand und einer Unterseite der Oberform verbleiben und mit dem Faserverbundbauteil aushärten. Dieses überschüssige Matrixmaterial ist anschließend leicht vom Faserverbundbauteil abtrennbar. Eine derartige Nebenkavität mit Überlaufwand hat den Vorteil, dass das Matrixmaterial nicht direkt von der Nebenkavität in das Fasermaterial sondern indirekt über die Überlaufwand pressbar ist. Somit ist eine gleichmäßigere Verteilung des Matrixmaterials erzielbar. Ferner bildet das überschüssige, erstarrte Matrixmaterial aufgrund der Überlaufwand einen dünnen Steg, der ein Abtrennen vom fertigen Faserverbundbauteil erleichtert.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Fasermaterial und Matrixwerkstoff mittels einer erfindungsgemäßen Pressvorrichtung gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:
- - Einbringen des Fasermaterials in die Hauptkavität der Pressform der Pressvorrichtung,
- - Schließen der Pressform,
- - Aufnehmen eines Teils des Matrixwerkstoffs in der Nebenkavität der mindestens einen Speichervorrichtung,
- - Befüllen der Nebenkavität mittels der Befüllungsvorrichtung mit zusätzlichem Matrixwerkstoff, der nicht aus der Hauptkavität stammt,
- - Zurückpressen zumindest eines Teils des in der Nebenkavität aufgenommenen
- - Matrixwerkstoffs in die Hauptkavität,
- - Aushärten des Matrixwerkstoffs,
- - Öffnen der Pressform, und
- - Entnehmen des Faserverbundbauteils.
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Dabei wird vor dem Aufnehmen des Matrixwerkstoffs von der Nebenkavität Matrixwerkstoff in die Hauptkavität eingebracht.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird Fasermaterial in die Hauptkavität der Pressform der Pressvorrichtung eingebracht, z.B. eingelegt. Das Fasermaterial kann beispielsweise als PrePreg, TowPreg, Preform, Gelege, Geflecht oder dergleichen bereitgestellt werden. Beim Einbringen wird das Fasermaterial vorzugsweise an einer Form der Hauptkavität ausgerichtet bzw. der Form angepasst. Es kann vorgesehen sein, dass die Pressvorrichtung vorgeheizt wird.
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In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Pressform geschlossen. Dabei werden die erste Teilform und die zweite Teilform der Pressform aufeinander zu bewegt. Ggf. kann hierbei die zweite Teilform in die erste Teilform zumindest teilweise hineinbewegt werden. Die Pressform wird vorzugsweise derart geschlossen, dass die Hauptkavität nach außen abgedichtet ist. Insbesondere bei der Verwendung eines PrePregs, also einem vorimprägnierten Fasermaterial, wird das Fasermaterial beim Schließen der Pressform wie beim herkömmlichen Nasspressen komprimiert. Hierdurch wird der Matrixwerkstoff in der Kavität sowie im Fasermaterial verteilt. Bei der Verwendung einer Preform, also einem Vorformling, ist eine derartige Kompression nicht erforderlich, kann aber erfindungsgemäß vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor dem dritten Verfahrensschritt Matrixwerkstoff in die Hauptkavität eingebracht wird. Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten, wie beispielsweise gemäß einem Nasspressprozess, also über das mit Matrixwerkstoff vernetzte bzw. zumindest teilweise vernetzte Fasermaterial (PrePreg) oder gemäß dem RTM-Verfahren, also durch Injektion bei geschlossener Pressform. Es kann z.B. auch vorgesehen sein, dass das in der geöffneten Pressform angeordnete Fasermaterial mit Matrixwerkstoff vernetzt, z.B. durch Aufsprühen, und/oder dass bereits vor dem Einbringen des Fasermaterials Matrixwerkstoff in die Pressform eingebracht wird.
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In einem dritten Verfahrensschritt wird ein Teil des in der Hauptkavität angeordneten Matrixwerkstoffs von der Nebenkavität der mindestens einen Speichervorrichtung aufgenommen. Mit anderen Worten wird die Nebenkavität mit Matrixwerkstoff aus der Hauptkavität gefüllt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass in der Nebenkavität bereits vor dem dritten Verfahrensschritt flüssiger Matrixwerkstoff angeordnet ist. Beim Aufnehmen des Matrixwerkstoffs kann der in der Nebenkavität verfahrbare Druckkolben beispielsweise derart verfahren werden, dass ein der Hauptkavität zugewandter Teilbereich der Nebenkavität vergrößert wird. Hierdurch kann ein Ansaugen des Matrixmaterials bewirkt werden. Alternativ kann der Druckkolben bereits von der Hauptkavität wegbewegt sein, so dass von der Nebenkavität ausreichend Matrixmaterial aufnehmbar ist.
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In einem fünften Verfahrensschritt wird zumindest ein Teil des in der Nebenkavität aufgenommenen Matrixwerkstoffs in die Hauptkavität zurückgepresst. Dies erfolgt durch ein Verfahren des Druckkolbens in Richtung Hauptkavität. Der Teilbereich der Nebenkavität, in dem der Matrixwerkstoff angeordnet ist, wird somit verkleinert, so dass zumindest ein Teil des Matrixwerkstoffs in die Hauptkavität gepresst wird. Vorzugsweise wird eine Menge des von der Nebenkavität aufgenommenen Matrixwerkstoffs derart bemessen, dass nach dem fünften Verfahrensschritt der Matrixwerkstoff komplett aus der Nebenkavität herausgepresst wird. Somit kann Matrixwerkstoff eingespart werden. Bei der Verwendung mehrerer Speichervorrichtungen können unterschiedlich große Nebenkavitäten vorgesehen sein, so dass zumindest ein Teil der Speichervorrichtungen nach dem fünften Verfahrensschritt frei von Matrixwerkstoff sind. Somit können bei der Erzeugung relativ großer Faserverbundbauteile Lufteinschlüsse vermieden und Matrixmaterial eingespart werden.
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In einem sechsten Verfahrensschritt wird der Matrixwerkstoff ausgehärtet. Vorzugsweise unter Wärmeeinbringung. Weiter bevorzugt bei Temperaturen zwischen ca. 80° und 130°C. Hierfür kann z.B. die Pressform erwärmt werden. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass beim Aushärten ein Restteil des Matrixwerkstoffs in der Nebenkavität verbleibt und dort aushärtet. Dieser Restteil ist nach dem Aushärten am Faserverbundbauteil angebunden und ist in einem Nachbearbeitungsschritt entfernbar.
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In einem siebten Verfahrensschritt wird die Pressform geöffnet. Dabei werden die erste Teilform und die zweite Teilform relativ voneinander weg bewegt und die Hauptkavität somit nach außen freigegeben.
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In einem achten Verfahrensschritt wird das das ausgehärtete Faserverbundbauteil aus der Pressform entformt. Dabei wird in der Nebenkavität ausgehärteter Matrixwerkstoff, der an das Faserverbundbauteil angebunden ist, mit entfernt.
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Bei dem beschriebenen Verfahren ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Pressvorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass eine bessere Verteilung des Matrixwerkstoffs im Fasermaterial erzielbar und somit die Bildung von Lufteinschlüssen im fertigen Faserverbundbauteil vermeidbar ist. Durch das Zurückpressen des Matrixwerkstoffs in die Hauptkavität kann ein Druckabfall des Innendrucks innerhalb der Pressform auch nach dem Schließen der Pressform bzw. nach dem Injektionsvorgang vermieden bzw. zumindest reduziert werden. Erfindungsgemäß kann nach dem Schließen der Pressform bzw. nach dem Injektionsvorgang der Innendruck innerhalb der Pressform durch entsprechendes Einpressen bzw. Zurückpressen des Matrixwerkstoffs erhöht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit Fertigungsqualität und -kosten von Faserverbundbauteilen verbessert werden. In einem zusätzlichen Arbeitsschritt kann das angebundene Matrixmaterial aus der Nebenkavität leicht vom Faserverbundbauteil entfernt werden.
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Vorzugsweise wird das Fasermaterial vor dem Schließen der Pressform mit Matrixwerkstoff imprägniert bzw. vernetzt oder zumindest teilweise vernetzt. Das Fasermaterial kann demnach gemäß einem Nasspressverfahren als PrePreg bereitgestellt werden oder in der geöffneten Pressform imprägniert werden. Das Imprägnieren kann beispielsweise durch Sprühauftrag, im Tauchbad oder dergleichen erfolgen.
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Während des Schließens der Pressform und/oder nach dem Schließen der Pressform wird Matrixwerkstoff über die Injiziervorrichtung in die Hauptkavität injiziert. Dieser Verfahrensschritt ist aus einem RTM-Verfahren bekannt und kann zusätzlich oder alternativ zu einem vorherigen, alternativen Einbringen von Matrixwerkstoff erfolgen.
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Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass während des Schließens der Pressform und/oder nach dem Schließen der Pressform eine Druckkraft von der Pressform auf das Fasermaterial ausgeübt wird. Durch die Druckkraft kann das Fasermaterial beispielsweise verdichtet und/oder verformt, z.B. einer Form der Hauptkavität angepasst, werden. Eine Druckkraft hat den Vorteil, dass der Matrixwerkstoff besser verteilt und in die Nebenkavität einbringbar ist.
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Eine erfindungsgemäße Pressvorrichtung sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus einem Fasermaterial und Matrixwerkstoff werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform der Pressvorrichtung,
- 2 in einer Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der Pressvorrichtung,
- 3 in einer Seitenansicht eine dritte Ausführungsform der Pressvorrichtung,
- 4 in einer Seitenansicht eine vierte Ausführungsform der Pressvorrichtung,
- 5 in einer Seitenansicht eine fünfte Ausführungsform der Pressvorrichtung,
- 6 in einer Seitenansicht einen ersten Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 7 in einer Seitenansicht einen zweiten Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 8 in einer Seitenansicht einen dritten Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 9 in einer Seitenansicht einen vierten Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 10 in einer Seitenansicht einen fünften Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 11 in einer Seitenansicht einen sechsten Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 11 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform einer erfinderischen Pressvorrichtung 1 in einer Seitenansicht sowie in einem geöffneten Zustand abgebildet. Die Pressvorrichtung 1 weist eine Pressform 5 mit einer als Unterform ausgebildeten ersten Teilform 6 und einer als Oberform ausgebildeten zweiten Teilform 7 auf. In der ersten Teilform 6 ist eine Hauptkavität 8 ausgebildet, die von einer umlaufenden Konturwand 12 der ersten Teilform 6 seitlich umgeben ist. Die Konturwand 12 weist einen Kontaktbereich zum Kontaktieren der zweiten Teilform 7 auf, wobei auf dem Kontaktbereich eine umlaufende Dichtungsvorrichtung 15 angeordnet ist. In der ersten Teilform 6 ist eine Speichervorrichtung 9 angeordnet. Die Speichervorrichtung 9 weist eine Nebenkavität 10 sowie einen in der Nebenkavität 10 verschiebbar angeordneten Druckkolben 11 auf. Die Speichervorrichtung 9 ist zur Aufnahme von Matrixwerkstoff 4 (vgl. 8) aus der Hauptkavität 8 sowie zur Abgabe von Matrixwerkstoff 4 in die Hauptkavität 8 ausgebildet.
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In 2 ist schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfinderischen Pressvorrichtung 1 in einer Seitenansicht sowie in einem geöffneten Zustand abgebildet. Die Pressvorrichtung 1 weist eine Pressform 5 mit einer als Unterform ausgebildeten ersten Teilform 6 und einer als Oberform ausgebildeten zweiten Teilform 7 auf. In der ersten Teilform 6 ist eine Hauptkavität 8 ausgebildet, die von einer umlaufenden Konturwand 12 der ersten Teilform 6 seitlich umgeben ist. Die Konturwand 12 weist einen Kontaktbereich zum Kontaktieren der zweiten Teilform 7 auf. In der ersten Teilform 6 ist eine Speichervorrichtung 9 angeordnet. Die Speichervorrichtung 9 weist eine Nebenkavität 10 sowie einen in der Nebenkavität 10 verschiebbar angeordneten Druckkolben 11 auf. Die Speichervorrichtung 9 ist zur Aufnahme von Matrixwerkstoff 4 (vgl. 8) aus der Hauptkavität 8 sowie zur Abgabe von Matrixwerkstoff 4 in die Hauptkavität 8 ausgebildet. In der zweiten Teilform 7 ist eine Tauchkontur 16 ausgebildet, die zum Eintauchen in die Hauptkavität 8 ausgebildet ist. Eine Injektionsvorrichtung 14 zum Injizieren von Matrixwerkstoff 4 in die Hauptkavität 8 ist in einem zentralen Bereich der zweiten Teilform 7 angeordnet.
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In 3 ist schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfinderischen Pressvorrichtung 1 in einer Seitenansicht sowie in einem geöffneten Zustand abgebildet. Die Pressvorrichtung 1 weist eine Pressform 5 mit einer als Unterform ausgebildeten ersten Teilform 6 und einer als Oberform ausgebildeten zweiten Teilform 7 auf. In der ersten Teilform 6 ist eine Hauptkavität 8 ausgebildet, die von einer umlaufenden Konturwand 12 der ersten Teilform 6 seitlich umgeben ist. Die Konturwand 12 weist einen Kontaktbereich zum Kontaktieren der zweiten Teilform 7 auf. In der ersten Teilform 6 ist eine Speichervorrichtung 9 angeordnet. Die Speichervorrichtung 9 weist eine Nebenkavität 10 sowie einen in der Nebenkavität 10 verschiebbar angeordneten Druckkolben 11 auf. Die Speichervorrichtung 9 ist zur Aufnahme von Matrixwerkstoff 4 (vgl. 8) aus der Hauptkavität 8 sowie zur Abgabe von Matrixwerkstoff 4 in die Hauptkavität 8 ausgebildet. In der zweiten Teilform 7 ist eine Tauchkontur 16 ausgebildet, die zum Eintauchen in die Hauptkavität 8 ausgebildet ist. Die zweite Teilform 7 weist eine als Luftfalle ausgebildete Ausnehmung 13 auf.
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In 4 ist schematisch eine vierte Ausführungsform einer erfinderischen Pressvorrichtung 1 in einer Seitenansicht sowie in einem geöffneten Zustand abgebildet. Die Pressvorrichtung 1 weist eine Pressform 5 mit einer als Unterform ausgebildeten ersten Teilform 6 und einer als Oberform ausgebildeten zweiten Teilform 7 auf. Eine Hauptkavität 8 ist teilweise in der ersten Teilform 6 und teilweise in der zweiten Teilform 7 ausgebildet. Die Kavität ist von einer umlaufenden Konturwand 12 der ersten Teilform 6 sowie einer umlaufenden Konturwand 12 der zweiten Teilform 7 seitlich umgeben. In der ersten Teilform 6 ist eine Speichervorrichtung 9 angeordnet. Die Speichervorrichtung 9 weist eine Nebenkavität 10 sowie einen in der Nebenkavität 10 verschiebbar angeordneten Druckkolben 11 auf. In der zweiten Teilform 7 ist eine zweite Speichervorrichtung 9a angeordnet. Die zweite Speichervorrichtung 9a weist eine zweite Nebenkavität 10a sowie einen in der zweiten Nebenkavität 10a verschiebbar angeordneten zweiten Druckkolben 11a auf. Die Speichervorrichtung 9 und die zweite Speichervorrichtung 9a sind zur Aufnahme von Matrixwerkstoff 4 (vgl. 8) aus der Hauptkavität 8 sowie zur Abgabe von Matrixwerkstoff 4 in die Hauptkavität 8 ausgebildet.
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In 5 ist schematisch eine fünfte Ausführungsform einer erfinderischen Pressvorrichtung 1 in einer Seitenansicht sowie in einem geöffneten Zustand abgebildet. Die Pressvorrichtung 1 weist eine Pressform 5 mit einer als Unterform ausgebildeten ersten Teilform 6 und einer als Oberform ausgebildeten zweiten Teilform 7 auf. In der ersten Teilform 6 ist eine Hauptkavität 8 ausgebildet, die von einer umlaufenden Konturwand 12 der ersten Teilform 6 seitlich umgeben ist. Die Konturwand 12 weist einen Kontaktbereich zum Kontaktieren der zweiten Teilform 7 auf. In der ersten Teilform 6 ist eine Speichervorrichtung 9 seitlich neben der Hauptkavität 8 angeordnet. Die Speichervorrichtung 9 weist eine Nebenkavität 10 sowie einen in der Nebenkavität 10 verschiebbar angeordneten Druckkolben 11 auf. Die Speichervorrichtung 9 ist zur Aufnahme von Matrixwerkstoff 4 (vgl. 8) aus der Hauptkavität 8 sowie zur Abgabe von Matrixwerkstoff 4 in die Hauptkavität 8 ausgebildet. Zwischen der Nebenkavität 10 und der Hauptkavität 8 ist eine Überlaufwand 17 angeordnet. In der zweiten Teilform 7 ist eine Tauchkontur 16 ausgebildet, die zum Eintauchen in die Hauptkavität 8 ausgebildet ist. Die zweite Teilform 7 weist eine als Luftfalle ausgebildete Ausnehmung 13 auf, die direkt über der Nebenkavität angeordnet ist. Zur besseren Veranschaulichung
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In 6 ist schematisch in einer Seitenansicht ein erster Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Pressvorrichtung 1 ist gemäß der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform ausgebildet. In der Hauptkavität 8 ist ein beispielsweise als Preform ausgebildetes Fasermaterial 3 angeordnet. Die Pressform 5 ist in einem geöffneten Zustand, wobei die zweite Teilform 7 zum Schließen der Pressform 5 zur ersten Teilform 6 bewegt wird. Der Druckkolben 11 der Speichervorrichtung 9 ist derart in der Nebenkavität 10 angeordnet, dass ein der Hauptkavität 8 benachbarter Teilbereich der Nebenkavität 10 minimiert ist.
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In 7 ist schematisch in einer Seitenansicht ein zweiter Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Pressvorrichtung 1 ist geschlossen, so dass die erste Teilform 6 und die zweite Teilform 7 einander umlaufend kontaktieren und somit die Hauptkavität 8 einschließen. Das Fasermaterial 3 ist zwischen der ersten Teilform 6 und der zweiten Teilform 7 komprimiert.
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In 8 ist schematisch in einer Seitenansicht ein dritter Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Pressvorrichtung 1 ist weiterhin geschlossen. Über die Injektionsvorrichtung 14 wird Matrixwerkstoff 4 in die Hauptkavität 8 injiziert. Dabei wird das Fasermaterial 3 mit Matrixwerkstoff 4 vernetzt. Der Druckkolben 11 der Speichervorrichtung 9 wird derart bewegt, dass der der Hauptkavität 8 benachbarte Teilbereich der Nebenkavität 10 vergrößert wird. Hierbei wird ein Teil des Matrixmaterials 4 der Hauptkavität 8 von der Nebenkavität 10 aufgenommen.
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In 9 ist schematisch in einer Seitenansicht ein vierter Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der Injektionsvorgang ist abgeschlossen und die Injektionsvorrichtung 14 wieder frei von Matrixwerkstoff 4. Der Druckkolben 11 wird in Richtung Hauptkavität 8 bewegt, so dass Matrixwerkstoff 4 aus der Nebenkavität 10 zurück in die Hauptkavität 8 gedrückt wird, um ein Vernetzen des Fasermaterials 3 mit Matrixwerkstoff 4 zu verbessern. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass in dem vierten Zustand der Matrixwerkstoff bereits teilweise ausgehärtet ist.
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In 10 ist schematisch in einer Seitenansicht ein fünfter Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der Matrixwerkstoff 4 ist ausgehärtet bzw. im Wesentlichen ausgehärtet. Der zweite Formteil 7 wird vom ersten Formteil 6 weg bewegt und die Pressform 5 somit geöffnet. Das erzeuge Faserverbundbauteil 2 ist noch in der Hauptkavität 8 angeordnet.
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In 11 ist schematisch in einer Seitenansicht ein sechster Zustand während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Pressform 5 ist geöffnet und das fertige Faserverbundbauteil 2 wird aus der Hauptkavität 8 entformt. An einem Randbereich des Faserverbundbauteils 2 ist ein ausgehärteter Rest Matrixmaterial 4 aus der Nebenkavität 10 angebunden, der in einem Nachbearbeitungsschritt vom Faserverbundbauteil 2 abtrennbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pressvorrichtung
- 2
- Faserverbundbauteil
- 3
- Fasermaterial
- 4
- Matrixwerkstoff
- 5
- Pressform
- 6
- erste Teilform
- 7
- zweite Teilform
- 8
- Hauptkavität
- 9
- Speichervorrichtung
- 9a
- zweite Speichervorrichtung
- 10
- Nebenkavität
- 10a
- zweite Nebenkavität
- 11
- Druckkolben
- 11a
- zweiter Druckkolben
- 12
- Konturwand
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Injiziervorrichtung
- 15
- Dichtungsvorrichtung
- 16
- Tauchkontur
- 17
- Überlaufwand
