DE102016216830A1

DE102016216830A1 - Verfahren und Anordnung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102016216830A1
Application number: DE102016216830.4A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Gajewski
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Anordnung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (10). Das Verfahren umfasst die Schritte: Einleiten (S01) einer magnetorheologischen Flüssigkeit (51) in eine Bauteilkavität (12) mit einem Fasermaterial (14); Anlegen (S02) eines magnetischen Felds (20) an die Bauteilkavität (12); und Einleiten (S03) eines Matrixmaterials (52) in die Bauteilkavität (12)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils. Unter einem Faserverbundbauteil ist insbesondere ein Bauteil zu verstehen, welches einen Faserverbundwerkstoff aufweist oder aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.
Ein vorteilhaftes grundlegendes Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils ist ein sogenanntes Infiltrations- oder Infusionsverfahren, welches auch als Harzinfusionsverfahren bezeichnet wird. Bei einem solchen Verfahren wird üblicherweise ein Fasermaterial, beispielsweise ein Faserhalbzeug, in einer Bauteilkavität angeordnet, welche als Negativform dient. Eine Kunststoff-Folie kann über den Rand der Bauteilkavität gelegt werden und zum hermetischen Versiegeln der Bauteilkavität verwendet werden. Innerhalb der Bauteilkavität kann sodann ein Vakuum etabliert werden. In einem ersten Bereich der Bauteilkavität wird eine Harzzufuhr angeordnet, mittels welcher ein Harz als ein Matrixmaterial in die Bauteilkavität eingeleitet wird. An einer, üblicherweise möglichst weit weg von der Harzzufuhr angeordneten, Absaugung wird durch permanentes Absaugen das Vakuum erzeugt und aufrecht erhalten und so eine Strömung des Harzes in der Bauteilkavität erzeugt oder verstärkt. Herausforderungen stellen sich bei diesem Verfahren durch das mitunter schwer vorhersagbare Fließverhalten des Harzes an Bauteilkanten, Wölbungen, Ecken und dergleichen.
Beispielsweise kann es zu einem lokalen Vorauseilen des Matrixmaterials in bestimmten Bereichen kommen, welches auch als Race-Tracking bezeichnet wird. Dabei kann es dazu kommen, dass das Matrixmaterial in weiten Bereichen an dem Fasermaterial vorbei fließt. Race-Tracking kann beispielsweise auftreten, wenn sich zwischen der Harzzufuhr, welche auch als Zuführung oder als Anguss bezeichnet wird, und der Absaugung lokale Bereiche befinden, die dem Matrixmaterial beim Durchfließen einen deutlich geringeren Widerstand bieten als umliegende Bereiche. Je nach der Anordnung von Anguss und Absaugung kann es auch außerhalb des Fasermaterials zu Race-Tracking kommen. Race-Tracking kann dazu führen, dass Trockenstellen innerhalb des Faserverbundbauteils entstehen.
Des Weiteren kann es zu einer unzureichend kontrollierten Fortbewegung des Matrixmaterials außerhalb des Fasermaterials, welches auch als Faservorformling oder als Preform bezeichnet wird, insbesondere an den seitlichen Rändern der Bauteilkavität kommen.
In der DE 10 2013 012 005 A1 ist ein Verfahren beschrieben, gemäß welchem ein Hilfsmaterial in eine Bauteilkavität mit einem Faservorformling eingebracht wird, wobei das Hilfsmaterial den Fließweg des Matrixmaterials während des Infusionsvorgangs beeinflussen soll.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
Dementsprechend wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitgestellt, mit den Schritten: Einleiten einer magnetorheologischen Flüssigkeit in eine Bauteilkavität mit einem Fasermaterial; Anlegen eines magnetischen Felds an die Bauteilkavität; und Einleiten eines Matrixmaterials in die Bauteilkavität. Das Einleiten der magnetorheologischen Flüssigkeit und das Einleiten des Matrixmaterials können gleichzeitig erfolgen.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitgestellt, mit den Schritten: Einleiten eines magnetorheologischen Matrixmaterials in eine Bauteilkavität mit einem Fasermaterial; und Anlegen eines magnetischen Felds an die Bauteilkavität. Das Einleiten des magnetorheologischen Matrixmaterials kann vor, nach, und/oder während des Anlegens des magnetischen Felds an die Bauteilkavität erfolgen.
Unter einem magnetorheologischen Matrixmaterial ist insbesondere ein Stoff zu verstehen, welcher gleichzeitig als Matrixmaterial verwendbar ist, also z.B. aushärtbar ist, und gleichzeitig magnetorheologische Eigenschaften aufweist, d.h. gleichzeitig auch als eine magnetorheologische Flüssigkeit klassifizierbar ist. Wann immer im Folgenden auf eine magnetorheologische Flüssigkeit Bezug genommen wird, kann dies, sofern nicht explizit etwas anderes beschrieben ist, gemäß Varianten auch als Bezug auf ein magnetorheologisches Matrixmaterial verstanden werden.
Als Bauteilkavität wird insbesondere derjenige Raum bezeichnet, in welchem sich das Fasermaterial befindet und mit Matrixmaterial versetzt werden soll, um das Faserverbundbauteil auszubilden.
Weiterhin wird eine Anordnung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitgestellt, mit: einer Bauteilkavität mit einem Fasermaterial; einer Einleitungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, eine magnetorheologische Flüssigkeit und ein Matrixmaterial und/oder ein magnetorheologisches Matrixmaterial in die Bauteilkavität einzuleiten; und eine Magnetfeldeinrichtung, welche dazu ausgelegt oder eingerichtet ist, ein magnetisches Feld an die Bauteilkavität anzulegen, insbesondere ein magnetisches Feld im Bereich der eingeleiteten magnetorheologischen Flüssigkeit und/oder des eingeleiteten magnetorheologischen Matrixmaterials zu erzeugen.
Die Einleitungseinrichtung kann zwei voneinander separate Einleitungselemente aufweisen, von denen ein erstes Einleitungselement zum Einleiten der magnetorheologischen Flüssigkeit und/oder des magnetorheologischen Matrixmaterials ausgelegt ist und ein zweites Einleitungselement zum Einleiten des nicht-magnetorheologischen Matrixmaterials. Alternativ kann die Einleitungseinrichtung zwei voneinander separate Einleitungselemente aufweisen, von denen ein erstes Einleitungselement zum Einleiten des nicht-magnetorheologischen Matrixmaterials und/oder des magnetorheologischen Matrixmaterials ausgelegt ist und ein zweites Einleitungselement zum Einleiten der magnetorheologischen Flüssigkeit, welche nicht als Matrixmaterial verwendbar ist, ausgelegt ist.
Als eine magnetorheologische Flüssigkeit wird eine Suspension bezeichnet, die auf ein magnetisches Feld durch eine Viskositätssteigerung oder eine Viskositätsverringerung reagiert. Eine magnetorheologische Flüssigkeit kann beispielsweise aus einem Trägerfluid und darin dispers verteilten Partikeln, welche magnetisch polarisierbar sind, bestehen. Als Trägerfluid kommen beispielsweise Ethylenglycol, Wasser oder Öl in Frage. Darin können beispielsweise Partikel aus Carbonyleisenpulver dispers verteilt sein. Die Größe der Partikel kann beispielsweise zwischen 0,1 und 10 Mikrometern betragen. Damit sind diese Partikel insbesondere um ein bis drei Zehnerpotenzen größer als bei sogenannten Ferrofluiden. Werden solche magnetorheologischen Flüssigkeiten einer magnetischen Feldstärke ausgesetzt, werden die magnetisch polarisierbaren Partikel in der Flüssigkeit polarisiert und bilden Ketten entlang der Feldlinien. Mit zunehmender magnetischer Feldstärke kann dadurch die Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit erhöht werden, was bis zu einer Erstarrung der Flüssigkeit führen kann.
Somit kann durch erfindungsgemäße Verwendung einer magnetorheologischen Flüssigkeit beim Herstellen eines Faserverbundbauteils, kombiniert mit einem geeigneten, in einer gewünschten Form und in einer gewünschten Feldstärke ausgebildeten Magnetfeld, für eine Vielzahl von verschieden geformten Faserverbundbauteilen jeweils ein gewünschtes Fließprofil für das Matrixmaterial innerhalb der Bauteilkavität erzeugt werden, insbesondere, falls zum Herstellen des Faserverbundbauteils ein Infusionsverfahren, bevorzugt ein Vakuum-Infusionsverfahren, verwendet wird.
Bevorzugt wird das Einleiten der magnetorheologischen Flüssigkeit zeitlich dem Einleiten des Matrixmaterials vorangestellt, wobei sich die beiden Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise überlappen können. Bevorzugt erfolgt das Anlegen des magnetischen Felds vor dem Einleiten des Matrixmaterials in die Bauteilkavität, wobei auch diese Verfahrensschritte sich ganz oder teilweise überlappen können.
Es kann vorteilhaft sein, wenn vor dem Einleiten des Matrixmaterials in die Bauteilkavität die magnetorheologische Flüssigkeit zumindest teilweise in die Bauteilkavität eingeleitet und durch Anlegen des magnetischen Felds in ihren Viskositätseigenschaften vorteilhaft beeinflusst wird. Auf diese Weise kann eine das Fließprofil des Matrixmaterials vorteilhaft beeinflussende Struktur aus der magnetorheologischen Flüssigkeit geschaffen werden. Dabei kann das Magnetfeld insbesondere derart angelegt werden, dass die magnetorheologische Flüssigkeit eine größere Viskosität aufweist als das Matrixmaterial. Besonders bevorzugt wird das magnetische Feld insbesondere mit einer solchen magnetischen Feldstärke angelegt, dass die magnetorheologische Flüssigkeit zumindest bereichsweise in ihrer Position fixiert wird.
Wird, statt eines getrennten Einleitens einer magnetorheologischen Flüssigkeit und eines Matrixmaterials, ein magnetorheologisches Matrixmaterial in die Bauteilkavität eingeleitet, kann vorteilhaft eine einzige Einleitungseinrichtung verwendet werden. Weiterhin verringert sich die Anzahl der nötigen Ausgangsstoffe, wodurch weitere wirtschaftliche und technische Vorteile erzielt werden können. Des Weiteren kann das magnetorheologische Matrixmaterial in der Bauteilkavität auch nach Fertigstellung des Faserverbundbauteils verbleiben, ohne dass sich dadurch grundlegend andere mechanische und/oder physikalische relevante Eigenschaften des Faserverbundbauteils ergeben, z.B. ein Temperaturausdehnungskoeffizient, eine Elastizität und dergleichen.
Weiterhin ist bei dieser Variante das Fließverfahren des Matrixmaterials in der gesamten Bauteilkavität während des Herstellungsverfahrens besonders präzise steuerbar, indem ein zeitlich und/oder räumlich auf das jeweilige Faserverbundbauteil hin optimiertes magnetisches Feld an die Bauteilkavität angelegt wird, um entsprechend zeitlich und/oder räumlich die Bewegungseigenschaften, insbesondere Bewegungsgeschwindigkeiten und/oder Bewegungsrichtungen, des magnetorheologischen Matrixmaterials zu beeinflussen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Anlegen des magnetischen Felds derart, insbesondere zu einem solchen Zeitpunkt und/oder mit einer solchen Dauer und/oder mit einem derart räumlich ausgebildeten magnetischen Feld, dass eine Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit in zumindest einem Bereich der Bauteilkavität erhöht wird.
Bei dem zumindest einen Bereich kann es sich insbesondere um einen Bereich der Bauteilkavität handeln, welcher näher an einer Absaugeeinrichtung der Bauteilkavität angeordnet ist als an einer Einleitungseinrichtung zum Einleiten des Matrixmaterials und/oder der magnetorheologischen Matrixmaterials in die Bauteilkavität. Insbesondere kann der zumindest eine Bereich in unmittelbarer Nähe der Absaugeeinrichtung, das heißt der Absaugung, angeordnet sein. Dadurch kann verhindert, oder die Wahrscheinlichkeit dafür vermindert werden, dass das Matrixmaterial, oder das magnetorheologische Matrixmaterial, in die Absaugeeinrichtung eindringt, was ein mitunter sehr aufwendiges Entfernen von zumindest teilweise ausgehärtetem Matrixmaterial aus der Absaugeeinrichtung nach Fertigstellung des Faserverbundbauteils nötig machen kann.
Der zumindest eine Bereich, oder einer von mehreren solchen Bereichen, kann auch in der Nähe eines Dichtungselements vorgesehen sein, um zu verhindern oder die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass Matrixmaterial in das Dichtungselement eindringt.
Beispielsweise kann für einen ersten Zeitraum eine Menge der magnetorheologischen Flüssigkeit und/oder des magnetorheologischen Matrixmaterials mit Hilfe des Magnetfelds in der Nähe der Absaugeeinrichtung gehalten werden, während Luft und/oder andere Gase aus der Bauteilkavität mittels der Absaugeeinrichtung entfernt werden oder entfernbar sind. Zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitraum, beispielsweise nachdem das Matrixmaterial und/oder das magnetorheologische Matrixmaterial das Fasermaterial vollständig infiltriert hat und/oder aus diesem austritt, kann das Magnetfeld, welches die magnetorheologische Flüssigkeit und/oder das magnetorheologische Matrixmaterial in dem zumindest einen Bereich in Position hält, zumindest kurzfristig aufgehoben werden. Dadurch kann erreicht werden, dass die magnetorheologische Flüssigkeit und/oder das magnetorheologische Matrixmaterial sich bewegt und noch vorhandene Undichtigkeiten vor der Absaugeeinrichtung schließt.
Alternativ oder zusätzlich kann, beispielsweise im Eingangsbereich der Absaugeeinrichtung, ein zweites magnetisches Feld aktiviert, d.h. angelegt werden, um mit der magnetorheologischen Flüssigkeit die Absaugeeinrichtung zu verschließen. Auf diese Weise kann ein Eindringen von Matrixmaterial in die Absaugeeinrichtung vermieden werden. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die magnetorheologische Flüssigkeit selbst keine aushärtenden Eigenschaften aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die magnetorheologische Flüssigkeit und/oder das magnetorheologische Matrixmaterial zumindest in einen Bereich zwischen dem Fasermaterial und einer seitlichen Begrenzung der Bauteilkavität eingeleitet. Auf diese Weise kann insbesondere ein Race-Tracking verringert oder vermieden werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung verbleibt die magnetorheologische Flüssigkeit und/oder das magnetorheologische Matrixmaterial nach Fertigstellung des Faserverbundbauteils ganz oder teilweise in dem Faserverbundbauteil. Auf diese Weise kann das Fertigstellen des Faserverbundbauteils vereinfacht werden, indem auf ein Extrahieren der magnetorheologischen Flüssigkeit aus der Bauteilkavität verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann alternativ die magnetorheologische Flüssigkeit vor Fertigstellung des Faserverbundbauteils vollständig aus dem Faserverbundbauteil entfernt werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als magnetorheologische Flüssigkeit eine Flüssigkeit verwendet wird, welche selbst kein Matrixmaterial ist bzw. nicht als Matrixmaterial verwendbar ist. Somit können magnetorheologische Flüssigkeiten mit besonders vorteilhaften Eigenschaften zum Beeinflussen der Fließgeschwindigkeit des Matrixmaterials in der Bauteilkavität eingesetzt werden, ohne dass das Verbleiben dieser magnetorheologischen Flüssigkeit in dem Faserverbundbauteil nach dessen Fertigstellung zu räumlichen Unterschieden in den relevanten mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils führt. Dadurch kann bei der Auswahl der magnetorheologischen Flüssigkeit unbeachtet bleiben, welche Eigenschaften die magnetorheologische Flüssigkeit bei Verbleib in dem fertigen Faserverbundbauteil aufweisen würde und wie diese das Faserverbundbauteil beeinflussen würden.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kann das Einleiten der magnetorheologischen Flüssigkeit vor einem hermetischen Abdichten der Bauteilkavität erfolgen. Ein solches hermetisches Abdichten kann insbesondere einem Ausbilden eines Vakuums in der Bauteilkavität vorangehen.
Wird ein magnetorheologisches Matrixmaterial in die Bauteilkavität eingeleitet, kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung zusätzlich auch nicht-magnetorheologisches Matrixmaterial in die Bauteilkavität eingeleitet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in teilweise schematisierter Darstellung
1a) ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
1b) schematisch eine Anordnung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a) ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2b) schematisch eine Anordnung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3a) ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3b) schematisch eine Anordnung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4a) ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4b) schematisch eine Anordnung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden. Sofern nichts Anderes explizit beschrieben ist, wird durch die Nummerierungen, auch von Verfahrensschritten, nicht notwendigerweise eine Reihenfolge impliziert, auch wenn die Verfahrensschritte vorteilhaft in einer Reihenfolge entsprechend ihrer Nummerierung durchgeführt werden können. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
1a) zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 1a) ist insbesondere mittels einer in 1b) schematisch dargestellten Anordnung 1 zum Herstellen eines Faserverbundbauteil 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführbar.
In einem Schritt S01 wird eine magnetorheologische Flüssigkeit 51 in eine Bauteilkavität 12 mit einem Fasermaterial 14 eingeleitet. In einem Schritt S02 wird ein magnetisches Feld 20 an die Bauteilkavität 12 angelegt, beispielsweise mittels einer Magnetfeldeinrichtung 22. Insbesondere kann das magnetische Feld 20 an die magnetorheologische Flüssigkeit 51 innerhalb der Bauteilkavität 12 angelegt werden. In einem Schritt S03 wird ein Matrixmaterial 52 die Bauteilkavität 12 eingeleitet, welches bevorzugt keine magnetorheologische Flüssigkeit ist, d.h. keine magnetorheologischen Eigenschaften aufweist. Das Einleiten S01 der magnetorheologischen Flüssigkeit 51 und/oder das Einleiten S03 des Matrixmaterials 52 kann beispielsweise durch eine Einleitungseinrichtung 32 der Anordnung 1 erfolgen.
Es können auch zwei (oder mehr) voneinander getrennte Einleitungseinheiten der Einleitungseinrichtung 32 vorhanden sein, wobei eine erste Einleitungseinheit der zwei Einleitungseinheiten dazu ausgelegt ist, die magnetorheologische Flüssigkeit 51 in die Bauteilkavität (12) einzuleiten, und wobei eine zweite Einleitungseinheit der zwei Einleitungseinheiten dazu ausgelegt ist, das Matrixmaterial 52 in die Bauteilkavität 12 einzuleiten.
Die Magnetfeldeinrichtung 22 kann zum Erzeugen des Magnetfelds 20 insbesondere eine Spule und eine Wechselstromquelle aufweisen, wobei die Spule durch die Wechselstromquelle mit einem Wechselstrom beaufschlagbar ist. Mit einem magnetischen Kern, beispielsweise einem Eisenstab, der – ganz oder teilweise – in der Spule angeordnet ist, kann das Magnetfeld verstärkt und/oder in vorteilhafte Formen gebracht werden. Ein Magnetfeld 20 mit gewünschten geometrischen Anordnungen der Feldlinien des Magnetfelds 20 ist beispielsweise auch durch eine Anordnung von mit verschiedenen elektrischen Gleich- und/oder Wechselströmen beaufschlagbaren elektrischen Leitungen um die Bauteilkavität 12 herum erzeugbar.
2a) zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 2a) ist insbesondere mittels einer in 2b) schematisch dargestellten Anordnung 101 zum Herstellen eines Faserverbundbauteils 10 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchführbar.
In einem Schritt S101 wird ein magnetorheologisches Matrixmaterial in eine Bauteilkavität 12 mit einem Fasermaterial 14 eingeleitet. Als das magnetorheologische Matrixmaterial 151 kann beispielsweise in ein Polymer, insbesondere ein Duromer, ein Elastomer und/oder ein Thermoplast, mit darin suspendierten magnetisch polarisierbaren Partikeln, beispielsweise Carbonyleisenpulver, verwendet werden. Die Größe der Partikel kann beispielsweise zwischen 0,1 und 10 Mikrometern betragen, bevorzugt zwischen 2 und 5 Mikrometern. Die Partikel können insbesondere kugelförmig sein.
In einem Schritt S102 wird ein magnetisches Feld 20 an die Bauteilkavität 12 angelegt, insbesondere an das magnetorheologische Matrixmaterial 151 angelegt, beispielsweise mittels einer Magnetfeldeinrichtung 22, etwa wie sie in Bezug auf 1b) beschrieben wurde.
Das Einleiten S101 kann bei der Anordnung 101 gemäß 2b) beispielsweise durch eine Einleitungseinrichtung 132 der Anordnung 101 erfolgen. Die Einleitungseinrichtung 132 weist einen ersten Behälter 136 auf, in welchem das magnetorheologische Matrixmaterial 151 vor dem Einleiten in die Bauteilkavität aufbewahrt wird. Zwischen dem ersten Behälter 136 und der Bauteilkavität 12 kann ein Druckgefälle ausgebildet sein, beispielsweise ein Druckgefälle von 1 bar.
Das Verfahren gemäß 2a) kann als ein Vakuum-Infusionsverfahren ausgebildet sein. Bei der Anordnung 101 gemäß 2b) kann hierzu eine Absaugeeinrichtung 134 an der Bauteilkavität 12 angeordnet sein, welche zum Absaugen insbesondere von Luft aus der Bauteilkavität 12 als auch zum Ausbilden des Druckgefälles zwischen dem ersten Behälter 136 und der Bauteilkavität 12 ausgelegt oder eingerichtet ist.
Die Absaugeeinrichtung 134 kann insbesondere möglichst weit entfernt von der Einleitungseinrichtung 132 an der Bauteilkavität 12 angeordnet sein. Bevorzugt wird das magnetische Feld 20 derart an die Bauteilkavität 12 angelegt S102, bzw. ist die Magnetfeldeinrichtung 22 derart ausgebildet, die Magnetfeldlinien des magnetischen Felds 20 derart zu erzeugen, dass diese insbesondere in der Nähe der Absaugeeinrichtung 134 in der Bauteilkavität 12 angeordnet sind.
Bevorzugt wird das magnetische Feld 20 derart angelegt, bzw. ist die Magnetfeldeinrichtung 22 derart ausgelegt oder eingerichtet, dass eine Viskosität des magnetorheologischen Matrixmaterials 151 zumindest in einem Bereich der Bauteilkavität 12 erhöht wird, insbesondere in einem Bereich, welcher näher an der Absaugeeinrichtung 134 als an der Einleitungseinrichtung 132 angeordnet ist. Der Bereich kann auch variabel, d.h. bewegbar, sein. Somit kann, wie im Voranstehenden bereits beschrieben, verhindert werden, oder die Wahrscheinlichkeit dafür verringert werden, dass das Matrixmaterial 151 verfrüht die Absaugeeinrichtung 134 erreicht und beispielsweise in die Absaugeeinrichtung 134 eindringen kann, bevor die gesamte Restluft aus der Bauteilkavität 12 durch die Absaugeeinrichtung 134 abgesaugt und/oder das gesamte Fasermaterial 14 von dem magnetorheologischen Matrixmaterial 151 infiltriert wurde.
Auch andere der im Voranstehenden oder im Nachfolgenden beschriebenen vorteilhaften Ausbildungen des magnetischen Felds 20 durch die Magnetfeldeinrichtung 22 in dem Schritt S102 können bei den Ausführungsformen gemäß 2a) und/oder 2b) realisiert werden.
Als Restluft wird eine Luftmenge bezeichnet, welche in der Bauteilkavität 12 aufgrund der Tatsache, dass diese Luft mit Hilfe einer Absaugeeinrichtung 134 wie zum Beispiel einer Vakuumeinheit wie etwa einer Vakuumpumpe, nicht abgesaugt werden kann, verbleibt. Üblicherweise wird angenommen, dass die Restluft in Form von vielen kleinen Luftpaketen im Fasermaterial 14, zum Beispiel zwischen einzelnen Rovings und/oder Filamenten, verteilt und dort so stabil vorhanden ist, dass sie sich allein mit Hilfe der Absaugeeinrichtung 134 nicht absaugen lässt. Eine mögliche Lösung besteht darin, während des Infiltrationsvorgangs die vorhandene Restluft mit Hilfe des Matrixmaterials 151 aus dem Fasermaterial 14 heraus zu schieben.
3a) zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils 10 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 3a) ist beispielsweise mittels einer in 3b) dargestellten Anordnung 201 zum Herstellen eines Faserverbundbauteils 10 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchführbar.
In einem Schritt S201 wird eine magnetorheologische Flüssigkeit 251 in eine Bauteilkavität 12 mit einem Fasermaterial 14 eingeleitet. Die magnetorheologische Flüssigkeit 251 ist vor dem Einleiten S201 in die Bauteilkavität 12 in einem ersten Behälter 236 einer Einleitungseinrichtung 232 der Anordnung 201 angeordnet.
In einem Schritt S203 wird ein Matrixmaterial 252 in die Bauteilkavität 12 eingeleitet. Das Matrixmaterial 252 ist vor dem Einleiten S203 in die Bauteilkavität 12 in einem zweiten Behälter 238 der Einleitungseinrichtung 232 angeordnet.
Bevorzugt besteht die magnetorheologische Flüssigkeit 251 aus demselben Matrixmaterial, z.B. Harz, wie das Matrixmaterial 252, wobei zum Ausbilden der magnetorheologischen Flüssigkeit 251 in diesem Matrixmaterial magnetisch polarisierbare Partikel suspendiert sind, beispielsweise solche magnetisch polarisierbaren Partikel wie im Voranstehenden beschrieben. Mit anderen Worten ist die magnetorheologische Flüssigkeit 251 bevorzugt ein magnetorheologisches Matrixmaterial, etwa wie im Voranstehenden in Bezug auf 2a) und 2b) beschrieben.
Zwischen der Bauteilkavität 12 und dem ersten Behälter 236 und/oder dem zweiten Behälter 238 kann, wiederum durch eine Absaugeeinrichtung 134 der Anordnung 201, welche wie die Absaugeeinrichtung 134 der Anordnung 101 ausgebildet sein kann, und der optionalen Möglichkeit den ersten und/oder zweiten Behälter 236, 238 mit einem Innendruck anders dem atmosphärischem Umgebungsdruck zu beaufschlagen, ein jeweiliger Druckunterschied zwischen dem ersten und/oder dem zweiten Behälter 236, 238 und der Bauteilkavität 12 erzeugt werden. Auf diese Weise können, beispielsweise durch Ausbilden von verschiedenen Druckunterschieden, die Fließgeschwindigkeiten der magnetorheologischen Flüssigkeit 251 (z.B. eines magnetorheologischen Matrixmaterials) und des Matrixmaterials 252 ohne magnetorheologische Eigenschaften unterschiedlich eingeleitet werden, auch ohne dass ein magnetisches Feld 20 angelegt wird.
Das magnetische Feld 20 kann durch eine Magnetfeldeinrichtung 22 der Anordnung 201 erzeugt werden, beispielsweise wie im Voranstehenden beschrieben. Da die magnetorheologische Flüssigkeit 251 und das Matrixmaterial 252 vorteilhaft im Wesentlichen dieselben Aushärtungseigenschaften aufweisen können, insbesondere wenn die magnetorheologische Flüssigkeit 251 als ein magnetorheologisches Matrixmaterial realisiert ist, können bei der Ausführungsform gemäß 3a) und/oder der Ausführungsform gemäß 3b) sowohl die magnetorheologische Flüssigkeit 251 als auch das Matrixmaterial 252 nach Fertigstellung des Faserverbundbauteils 10 in der Bauteilkavität 12 verbleiben.
In dem Verfahren gemäß 3a) kann ein Anlegen S202 des magnetischen Felds 20 an die Bauteilkavität 12 insbesondere erfolgen wie im Vorangehenden in Bezug auf die Schritte S02, S102 beschrieben.
4a) zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Herstellen eines Faserverbundbauteils 10 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4b) zeigt schematisch eine Anordnung 301 zum Herstellen eines Faserverbundbauteils 10 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß 4a) ist insbesondere mittels der Anordnung 301 gemäß 4b) durchführbar.
In einem Schritt S301 wird eine magnetorheologische Flüssigkeit 351 in eine Bauteilkavität 12 mit einem Fasermaterial 14 eingeleitet. Vor dem Einleiten S301 ist die magnetorheologische Flüssigkeit 351 in einem ersten Behälter 336 einer Einleitungseinrichtung 332 der Anordnung 301 angeordnet. In einem Schritt S303 wird ein Matrixmaterial 352 in die Bauteilkavität 12 eingeleitet. Vor dem Einleiten S303 ist das Matrixmaterial 352 vorzugsweise in einem zweiten Behälter 338 der Einleitungseinrichtung 332 angeordnet.
Bei dem Verfahren gemäß 4a) und/oder bei der Anordnung 301 ist die magnetorheologische Flüssigkeit 351 vorzugsweise nicht als Matrixmaterial verwendbar, das heißt, die magnetorheologische Flüssigkeit 351 kann beispielsweise insbesondere keine Aushärteeigenschaften aufweisen.
In einem Schritt S302 wird ein magnetisches Feld 20 an die Bauteilkavität 12 angelegt, beispielsweise mittels einer Magnetfeldeinrichtung 22 der Anordnung 301, welche ebenso ausgebildet sein kann, wie im Voranstehenden bezüglich der 1b), der 2b) und/oder der 3b) beschrieben.
Das Ausbilden der magnetorheologischen Flüssigkeit 351 und des Matrixmaterials 352 aus unterschiedlichen Stoffen ermöglicht es beispielsweise, die magnetorheologische Flüssigkeit 351 lediglich aufgrund ihrer magnetorheologischen Eigenschaften auszuwählen und nicht etwa – zumindest auch – aufgrund ihrer mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften bei einem Verbleib in der Bauteilkavität 12. Dadurch unterliegt die Auswahl einer geeigneten magnetorheologischen Flüssigkeit geringeren Beschränkungen.
Die magnetorheologische Flüssigkeit 351 kann bei den Ausführungsformen gemäß 4a) und/oder 4b) insbesondere vor dem Fertigstellen des Faserverbundbauteils 10 aus der Bauteilkavität 12 entfernt werden, beispielsweise mittels einer Absaugeeinrichtung 134 der Anordnung 301 aus der Bauteilkavität 12 abgesaugt werden. Die Absaugeeinrichtung 134 kann insbesondere derart ausgebildet oder eingerichtet sein, wie im Voranstehenden bezüglich der 1b), der 2b) und/oder der 3b) beschrieben.
Beispielsweise kann die magnetorheologische Flüssigkeit 351 so gewählt werden, dass sie bei Fehlen eines angelegten magnetischen Felds 20 eine geringere Viskosität als das Matrixmaterial 352 aufweist und sich somit beispielsweise schneller innerhalb der Bauteilkavität 12 ausbreitet als das Matrixmaterial 352, selbst wenn in dem ersten und dem zweiten Behälter 336, 338 dieselben Ausgangsdrücke vorliegen.
Weiterhin kann die magnetorheologische Flüssigkeit 351 derart ausgewählt werden, dass die Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit 351 bei Anlegen des magnetischen Felds 20 mit einer vorbestimmten Mindest-Feldstärke eine größere Viskosität aufweist als das Matrixmaterial 352. Auf diese Weise ist durch das Anlegen S302 des magnetischen Felds 20 an die Bauteilkavität 12 gemäß den Feldlinien des magnetischen Felds 20 eine vorteilhafte Barrierestruktur für das Matrixmaterial 352 in der Bauteilkavität 12 erzeugbar, welche bei Ausschalten des magnetischen Felds 20 leicht, beispielsweise mittels der Absaugeeinrichtung 134, aus der Bauteilkavität 12 wieder entfernbar ist. Dadurch kann erzielt werden, dass das Matrixmaterial 352 auch den unmittelbar an die Absaugeeinrichtung 134 angrenzenden Bereich der Bauteilkavität 12 infiltrieren bzw. durchdringen kann.
Das Verfahren gemäß 4a) umfasst somit die weiteren Schritte: Abschalten S304 des magnetischen Felds 20; und Ausleiten S305, insbesondere Absaugen, der magnetorheologischen Flüssigkeit 351 aus der Bauteilkavität.
Die Schritte S301, S302, S303, S304, S305 können beispielsweise in dieser Reihenfolge durchgeführt werden. Es soll verstanden werden, dass je nach dem speziellen Anwendungsfall auch vorgesehen sein kann, dass ein magnetisches Feld 20 mehrmals angelegt S302 und/oder wieder ausgeschaltet S304 wird. Dabei kann jeweils das gleiche magnetische Feld 20, das heißt mit identischen magnetischen Feldlinien, angelegt werden oder es können mindestens zwei verschiedene magnetische Felder 20, das heißt mit sich voneinander unterscheidenden magnetischen Feldlinien, angelegt S302 werden.
Das Anlegen S302 zumindest eines magnetischen Felds 20 kann vor dem Einleiten S301 der magnetorheologischen Flüssigkeit 351, nach dem Einleiten S301 der magnetorheologischen Flüssigkeit 351 oder während des Einleitens S301 der magnetorheologischen Flüssigkeit 351 in die Bauteilkavität 12 erfolgen. Möglich ist auch, dass vor dem Einleiten S301 ein erstes magnetisches Feld angelegt wird und während des Einleitens S310 ein zweites magnetisches Feld angelegt wird, dass das vor dem Einleiten S301 angelegte magnetische Feld 20 während des Einleitens S301 ausgeschaltet wird, dass während dem Einleiten S301 zuerst ein erstes magnetisches Feld 20 und dann ein zweites magnetisches Feld 20 angelegt wird und dergleichen Varianten mehr.
Welche Reihenfolge und/oder jeweilige Wiederholungen der Verfahrensschritte S301 bis S305 vorteilhaft ist, hängt auch von der jeweiligen geometrischen Bauteilform und den physikalischen und chemischen Eigenschaften der gewählten magnetorheologischen Flüssigkeit 351 und des Matrixmaterials 352 ab. Das Abschalten S304 des magnetischen Felds 20 kann insbesondere zu einem Zeitpunkt erfolgen, an welchen das Matrixmaterial 352 das Fasermaterial 14 vollständig infiltriert hat und/oder aus diesem bereits wieder austritt. Durch das Ausschalten S304 des Magnetfelds 20 kann erzielt werden, dass die magnetorheologische Flüssigkeit, welche beispielsweise durch das magnetische Feld bis dahin in Position festgehalten wurde, sich bewegen kann und etwaige noch vorhandene Undichtigkeiten vor der Absaugung verschließen kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Beispielsweise können die in Bezug auf 4a) beschriebenen Verfahrensschritte des Abschaltens S304 des Magnetfelds 20 und des Ausleitens S305 der magnetorheologischen Flüssigkeit 351 und/oder entsprechend des magnetorheologischen Matrixmaterials, gemeinsam, oder getrennt voneinander, auch bei den Verfahren gemäß 1a), 2a) und/oder 3a) eingesetzt werden.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen kann es, zum Beispiel bei der Herstellung von Sandwichstrukturen, vorteilhaft sein, dass zunächst eine Decklage des Bauteils 10, zum Beispiel eine untere Lage, durch das Matrixmaterial infiltriert wird, bevor sich die Fließfront des Matrixmaterials innerhalb einer anderen Decklage, zum Beispiel einer oberen Decklage, schließt.
Dies kann etwa dann vorteilhaft sein, wenn auf der Oberseite des herzustellenden Faserverbundbauteils 10 eine semipermeable Membran vorgesehen ist. Mit Hilfe der im Voranstehenden beschriebenen möglichen Anwendungen der magnetorheologischen Flüssigkeit kann die Fortbewegung des Matrixmaterials in entsprechenden Bereichen, beispielsweise in der oberen Decklage, verzögert werden. Auf diese Weise können auch technisch teilweise sehr herausfordernde Infiltrationen von Sandwichstrukturen gut realisiert werden. Das Matrixmaterial kann dabei magnetorheologisch oder nicht-magnetorheologisch ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
10: Faserverbundbauteil
12: Bauteilkavität
14: Fasermaterial
20: Magnetfeld
22: Magnetfeldeinrichtung
32: Einleitungseinrichtung
51: magnetorheologische Flüssigkeit
52: Matrixmaterial
101: Anordnung
132: Einleitungseinrichtung
136: erster Behälter
151: magnetorheologisches Matrixmaterial
201: Anordnung
232: Einleitungseinrichtung
236: erster Behälter
238: zweiter Behälter
251: magnetorheologische Flüssigkeit
252: Matrixmaterial
301: Anordnung
332: Einleitungseinrichtung
336: erster Behälter
338: zweiter Behälter
351: magnetorheologische Flüssigkeit
352: Matrixmaterial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013012005 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (10), mit den Schritten: Einleiten (S01; S201; S301) einer magnetorheologischen Flüssigkeit (51; 251; 351) in eine Bauteilkavität (12) mit einem Fasermaterial (14); Anlegen (S02; S202; S302) eines magnetischen Felds (20) an die Bauteilkavität (12); und Einleiten (S03; S203; S303) eines Matrixmaterials (52; 252; 352) in die Bauteilkavität (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen (S02; S202; 302) des magnetischen Felds (20) derart erfolgt, dass eine Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit (51; 251; 351) in zumindest einem Bereich der Bauteilkavität (12) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Bauteilkavität (12), in zumindest welchem die Viskosität der magnetorheologischen Flüssigkeit (51; 251; 351) erhöht wird, näher an einer Absaugeeinrichtung (134) an der Bauteilkavität (12) angeordnet ist als an einer Einleitungseinrichtung (32; 232; 332) zum Einleiten (S01; S201; S301) des Matrixmaterials (52; 252; 352) in die Bauteilkavität (12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetorheologische Flüssigkeit (51; 251; 351) in zumindest einen Bereich zwischen dem Fasermaterial (14) und einer seitlichen Begrenzung der Bauteilkavität (12) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetorheologische Flüssigkeit (51; 251; 351) nach Fertigstellung des Faserverbundbauteils (10) ganz oder teilweise in dem Faserverbundbauteil (10) verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetorheologische Flüssigkeit (51; 251; 351) vor Fertigstellung des Faserverbundbauteils (10) vollständig aus dem Faserverbundbauteil (10) entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einleiten (S01; S201; S301) der magnetorheologischen Flüssigkeit (51; 251; 351) vor einem hermetischen Abdichten der Bauteilkavität (12) erfolgt.
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (10), mit den Schritten: Einleiten (S101) eines magnetorheologischen Matrixmaterials (151) in eine Bauteilkavität (12) mit einem Fasermaterial (14); und Anlegen (S102) eines magnetischen Felds (20) an die Bauteilkavität (12).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass außer dem magnetorheologischen Matrixmaterial (151) außerdem auch ein nicht-magnetorheologisches Matrixmaterial in die Bauteilkavität (12) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen (S102) des magnetischen Felds (20) derart erfolgt, dass eine Viskosität des magnetorheologischen Matrixmaterials (151) in zumindest einem Bereich der Bauteilkavität (12) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Bauteilkavität (12), in zumindest welchem die Viskosität des magnetorheologischen Matrixmaterials (151) erhöht wird, näher an einer Absaugeeinrichtung (134) an der Bauteilkavität (12) angeordnet ist als an einer Einleitungseinrichtung (132) zum Einleiten (S101) des magnetorheologischen Matrixmaterials (151) in die Bauteilkavität (12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetorheologische Matrixmaterial (151) in zumindest einen Bereich zwischen dem Fasermaterial (14) und einer seitlichen Begrenzung der Bauteilkavität (12) eingeleitet wird.
Anordnung (1; 101; 201; 301) zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (10), mit: einer Bauteilkavität (12) mit einem Fasermaterial (14); einer Einleitungseinrichtung (32; 132; 232; 332), welche dazu ausgelegt ist, eine magnetorheologische Flüssigkeit (51; 251; 351) und ein Matrixmaterial (52; 252; 352) und/oder ein magnetorheologisches Matrixmaterial (151) in die Bauteilkavität (12) einzuleiten; und einer Magnetfeldeinrichtung (22), welche dazu ausgelegt ist, ein magnetisches Feld (20) an die Bauteilkavität (12) anzulegen.
Anordnung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitungseinrichtung (32) zwei voneinander getrennte Einleitungseinheiten aufweist, wobei eine erste Einleitungseinheit der zwei Einleitungseinheiten dazu ausgelegt ist, die magnetorheologische Flüssigkeit (51) und/oder das magnetorheologische Matrixmaterial in die Bauteilkavität (12) einzuleiten, und eine zweite Einleitungseinheit der zwei Einleitungselemente dazu ausgelegt ist, das Matrixmaterial (52) in die Bauteilkavität (12) einzuleiten.