DE102016218896A1

DE102016218896A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vorlocheinbringung für die Verbindung von Faserkunststoffverbunden untereinander und mit anderen Werkstoffen

Info

Publication number: DE102016218896A1
Application number: DE102016218896.8A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Andrusch
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorlocheinbringung für die Verbindung von Faserkunststoffverbunden untereinander und mit anderen Werkstoffen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei werden die Vorlöcher direkt bei der Bauteilherstellung des Faserkunststoffverbundes in diesem erzeugt. Vorteilhaft können sowohl durplastische als auch thermoplastische Faserkunststoffverbunde hergestellt werden. Das Verfahren zur Vorlocheinbringung umfasst die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines ein- oder mehrteiligen Formgebungswerkzeuges für die Formgebung, wobei das Formgebungswerkzeug mindestens ein Prägewerkzeug zur Herstellung eines Vorlochs aufweist, Bereitstellen des Fasermaterials und des Matrixwerkstoffs oder des Faser-Matrix-Materials, Positionieren des Fasermaterials oder des Faser-Matrix-Materials im Formgebungswerkzeug, Umformen des Faser-Matrix-Materials oder des Fasermaterials unter Zusammenführung mit dem Matrixmaterial sowie lokales Verdrängen der Verstärkungsfasern an mindestens einer Stelle eines späteren Vorloches durch mindestens ein Prägewerkzeug unter einem Druck p, Aushärten des umgeformten Faser-Matrix-Materials. Die Vorrichtung zur Vorlocheinbringung weist ein Formgebungswerkzeug mit mindestens einer ersten beheizbaren und mindestens einer zweiten Pressform auf, deren Kontur der Oberfläche des konsolidierten Faserkunststoffverbundes entspricht, wobei mindestens ein Formgebungswerkzeug mindestens ein Prägewerkzeug zur Herstellung eines Vorlochs aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorlocheinbringung für die Verbindung von Faserkunststoffverbunden untereinander und mit anderen Werkstoffen und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Zum Verbinden von langfaserigen Faserkunststoffverbunden (nachfolgend: FKV) mit FKV, Metallen, Kunstoffen und anderen geeigneten Werkstoffen in einer Überlappverbindung gibt es bekannte lösbare und unlösbare mechanische Fügeelemente, wie Schrauben oder Nieten. Für diese Verbindungen muss jedoch beim Fügen ein Durchgangsloch in das zu klemmende Bauteil eingebracht werden. Dies kann zum einen durch den Fügeprozess selbst geschehen (Fließlochschrauben, Stanznieten) oder zusätzlich vor dem Fügeprozess (Blindnieten, Schrauben) mit bekannten Mitteln wie Bohren, Fräsen oder Stanzen. Bekannte Verfahren zur Locheinbringung sind das Bohren, Fräsen oder Stanzen von Senk- und oder Durchgangsbohrungen oder durchgehenden Nuten. Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass im Falle von langfaserig verstärkten Faserkunststoffverbunden (FKV) die Fasern durchtrennt und freigelegt werden, so dass das FKV-Bauteil geschwächt wird und gegebenenfalls eine erhöhte Korrosionsbelastung für das Fügeelement (Schraube bei Schraubenverbindung oder Niet bei Nietverbindungen) besteht. Wird das Durchgangsloch während des Fügeprozesses bei einer Überlappverbindung einer Baugruppe aus einem FKV-Bauteil und mindestens einem weiteren Bauteil aus FKV und/oder anderen geeigneten Werkstoffen durch einen Direktfügeprozess, wie Fließlochschrauben und oder Stanznieten eingebracht, kommt es neben dem Durchtrennen und Freilegen der Fasern zusätzlich zu Imperfektionen, wie Delaminationen im FKV, wodurch eine weitere Schwächung der FKV-Bauteile erfolgt. Durch die Freilegung der Fasern besteht ein direkter Kontakt zwischen Fasern und Fügeelement. Als Fügeelement werden bekannte Mittel, wie Stanzniet, Schraube, Blindniet, Halbhohlstanzniet, Vollstanzniet) bezeichnet, welche durch Form- und oder Kraftschluss die Verbindung zwischen den zu fügenden Bauteilen herstellen. Vor allem bei CFK begünstigt der direkte Kontakt zwischen Kohlefaser und Fügeelement die Korrosionsbelastung des Fügeelementes.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist ein Vorloch erforderlich, um das herum sich die einzelnen Fasern des FKV orientieren und dabei unbeschädigt und vollständig eingebettet sind.
Es sind Verfahren bekannt, bei denen bei thermoplastischen FKV mit einem heißen Werkzeug ein Durchgangsloch eingeschmolzen wird. Falls das gesamte FKV-Bauteil vollständig bis zum Erweichen (werkstoffspezifische Erweichungstemperatur) erwärmt wird, können die Fasern beim Durchdringen des erwärmten Werkzeuges verdrängt und neu um das Loch herum orientiert werden, andernfalls kommt es auch zur Zerstörung der Fasern. Nach dem Erstarren (Temperatur unterhalb der werkstoffspezifischen Erweichungstemperatur) sind die Fasern wieder vollständig eingebettet.
Wesentliche Nachteile des bekannten Standes der Technik sind somit das Auftreten von Imperfektionen, wie Delaminationen, durchtrennte und freiliegende Fasern. Delaminationen schwächen das FKV-Bauteil vor allem unter Dauerbelastung oder bei Biegewechselbeanspruchungen. Durchtrennte Fasern können die auftretenden Kräfte und Momente nicht mehr weiterleiten und es kommt zur negativen Spannungskonzentration an angrenzenden intakten Fasern. Freiliegende Kohlestofffasern stellen ein zusätzliches Korrosionsproblem an den Fügeverbindungen dar. Das vorteilhafte thermische Einschmelzen von Löchern in FKV-Bauteile und das „Verschmelzen“ der Oberfläche an den durchtrennten Bereichen ist nur bei thermoplastischem Matrixmaterial möglich. Zudem stellt das nachträgliche Einschmelzen der Löcher nach der Herstellung der FKV-Bauteile einen gesonderten technologischen Arbeitsschritt dar, der die Durchlaufzeit der Werkstücke verlängert.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile des Standes der Technik zu eliminieren und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, mit dem die Verbindung von Faserkunststoffverbunden untereinander und mit anderen geeigneten Werkstoffen verbessert wird. Insbesondere sollen die so geschaffenen Verbindungen langzeitstabil und resistent gegenüber Korrosion der Fügeelemente sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6 oder 10. Vorzugsweise Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Unter einem Vorloch 8 wird im Sinne dieser Patentanmeldung eine Öffnung in der Oberfläche eines Faserkunststoffverbundes verstanden, die den Faserkunststoffverbund partiell, jedoch nicht vollständig oder vollständig durchdringt. Bei einem vollständigen Durchdringen des Faserkunststoffverbundes ist die Durchtrittsfläche A_D kleiner als, größer als oder identisch der Querschnittsfläche des einzubringenden Fügeelementes.
Unter dem Einbringen eines Vorlochs wird die Erzeugung einer Öffnung in der Oberfläche eines Faserkunststoffverbundes oder die Herstellung einer Durchtrittsfläche A_D, die kleiner als, größer als oder identisch mit der Querschnittsfläche des einzubringenden Fügeelementes ist, verstanden.
Unter einer Durchtrittsfläche A_D wird im Sinne dieser Patentanmeldung die Fläche des Durchbruchs einer Öffnung in der Oberfläche an der gegenüberliegenden Oberfläche verstanden (siehe 5b).
Unter Fasern oder Verstärkungsfasern werden im Sinne dieser Patentanmeldung Gebilde aus Werkstoffen verstanden deren Länge vielmals größer ist als ihr Querschnitt und die einen Matrixwerkstoff verstärken, wenn sie in diesem eingebettet sind. Vorzugsweise werden Kohlenstoff-, Glas-, Aramid- oder Metallfasern verwendet.
Unter einem Fasermaterial wird im Sinne dieser Patentanmeldung ein Gebilde aus langen bzw. endlosen Verstärkungsfasern verstanden, das vorzugsweise als Gewebe oder Gelege angeordnet vorliegt.
Unter einem Matrixmaterial oder auch Matrixwerkstoff wird im Sinne dieser Patentanmeldung ein thermoplastischer oder duroplastischer Kunststoff verstanden der zum Einbetten von Verstärkungsfasern dient.
Unter einem Faser-Matrix-Material (kurz FMM) wird im Sinne dieser Patentanmeldung vorrangig ein Gebilde aus Fasermaterial und einem Matrixwerkstoff verstanden. Im Falle von duroplastischem Matrixwerkstoff, benetzt, umhüllt oder tränkt dieser die Fasern in flüssigem oder zähem Zustand vor und/oder während des Formgebungsprozesses. Als Thermoplast kann der Matrixwerkstoff zusätzlich in fester Form als Kunststofffäden vermischt mit den Verstärkungsfasern (Hybridgarn) oder die Verstärkungsfasern eingebettet als konsolidiertes, vorzugsweise ebenes, FMM-Halbzeug vorliegen und wird am Beginn des Formgebungsprozesse verflüssigt, verzähigt bzw. aufgeschmolzen.
Unter einem Faserkunststoffverbund (kurz FKV) wird im Sinne dieser Patentanmeldung ein geformtes, konsolidiertes Gebilde aus Fasermaterial und einem Matrixwerkstoff verstanden. Dabei sind die Verstärkungsfasern vom festen Matrixwerkstoff eingebettet.
Unter einem Formgebungsprozess wird im Sinne dieser Patentanmeldung die Erzeugung der Geometrie eines FKV-Bauteils durch einen Urform- oder Umformprozess verstanden, bei dem das gesamte Halbzeug ge- bzw. verformt wird, Dabei wird die FKV-Bauteiloberfläche als Negativ des Formgebungswerkzeuges erzeugt.
Unter einem Formgebungswerkzeug wird im Sinne dieser Patentanmeldung ein mindestens zweiteiliges Umformwerkzeug oder vorzugsweise ein mindestens zweiteiliges Urformwerkzeug verstanden. An oder in der Oberfläche des Ur- oder Umformwerkzeuges sitzt mindestens ein Prägewerkzeug.
Unter einem Prägewerkzeug wird im Sinne dieser Patentanmeldung ein Bauteil verstanden, welches während des Formgebungsprozesses in das Fasermaterial oder Faser-Matrix-Material eindringt und dabei dieses jedoch nicht vollständig oder vollständig durchdringt. Die Verstärkungsfasern des FMM werden verdrängt und dadurch ein Vorloch 8 im späteren FKV erzeugt. Die Oberfläche des Vorloches entspricht dem Negativ der mit dem FKV in Kontakt stehenden Oberfläche des Prägewerkzeuges.
Unter einer lösbaren oder unlösbaren Verbindung des FKV mit einem anderen FKV oder mit Werkstücken oder Halbzeugen aus anderen geeigneten Werkstoffen wird im Sinne dieser Patentanmeldung eine Fügeverbindung mit an sich bekannten Mitteln, wie Fließlochschraube, metrische Schraube, metallische Schraube, Holzschraube, Blindniet oder Stanzniet, verstanden.
Unter einem faser-matrix-materialspezifischen Verdichtungsgrad wird im Sinne dieser Patentanmeldung das Verhältnis zwischen der Dicke S₁ des konsolidierten FKV zur Dicke S₀ des Faser-Matrix-Materials verstanden.
Unter einer Reaktionstemperatur T_R wird im Sinne dieser Patentanmeldung die Temperatur verstanden, bei der duroplastische Werkstoffe aushärten oder thermoplastische Werkstoffe schmelzen.
Erfindungsgemäß werden die Vorlöcher direkt bei der Bauteilherstellung [Urformen oder Umformen (nachfolgend Formgebung)] des Faserkunststoffverbundes in diesem erzeugt.
Dabei ist es vorteilhaft möglich, sowohl durplastische als auch thermoplastische Faserkunststoffverbunde zu erstellen. Die Darreichungsformen der Halbzeuge können dabei sehr vielseitig sein. Das Fasermaterial wird als Einzelfasern, Faserbündel, Gelege oder Gewebe, das duroplastische Matrixmaterial im flüssigen oder zähen Zustand, das thermoplastische Matrixmaterial im flüssigen, zähen oder festen Zustand, das Faser-Matrix-Material in aufgelockertem, flexiblem Zustand (thermoplastisches und duroplastisches Matrixmaterial) oder konsolidiertem Zustand (thermoplastisches Matrixmaterial) bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vorlocheinbringung für die Verbindung von Faserkunststoffverbunden untereinander und/oder mit anderen Werkstoffen, ist gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen eines ein- oder mehrteiligen Formgebungswerkzeuges für die Formgebung, wobei das Formgebungswerkzeug mindestens ein Prägewerkzeug zur Herstellung eines Vorlochs aufweist,
b) Bereitstellen des Fasermaterials und des Matrixwerkstoffs oder des Faser-Matrix-Materials,
c) Positionieren des Fasermaterials oder des Faser-Matrix-Materials im Formgebungswerkzeug,
d) Umformen des Faser-Matrix-Materials oder des Fasermaterials unter Zusammenführung mit dem Matrixmaterial sowie lokales Verdrängen der Verstärkungsfasern an mindestens einer Stelle eines späteren Vorloches durch mindestens ein Prägewerkzeug unter einem Druck p,
e) Aushärten des umgeformten Faser-Matrix-Materials.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist entsprechend des eingesetzten Faser-Matrix-Materials bzw. Fasermaterials und Matrixmaterials in angepassten bevorzugten Verfahrensweisen auszuführen:

– Beim Einsatz von unkonsolidiertem oder teilkonsolidiertem platten- oder bahnenförmigem duroplastischem Faser-Matrix-Material erfolgt in Schritt d) ein Erhitzen des Formgebungswerkzeuges und des Fasermaterials auf die Reaktionstemperatur T_R, des duroplastischen Matrixwerkstoffs, woraufhin in Schritt e) das Aushärten durch das Aufrechterhalten der Reaktionstemperatur T_R des duroplastischen Matrixwerkstoffs erfolgt. Wenn das duroplastische Faser-Matrix-Material hinreichend ausgehärtet ist, kann die Temperatur abgesenkt werden.
– Beim Einsatz von plattenfömig angeordnetem, erstarrtem thermoplastischem Faser-Matrix-Material erfolgt in Schritt d) ein Erhitzen des Formgebungswerkzeuges und des Faser-Matrix-Materials auf die Erweichungstemperatur des thermoplastischen Faser-Matrix-Materials und in Schritt e) wird das Aushärten des umgeformten Faser-Matrix-Materials durch Abkühlung des thermoplastischen Faser-Matrix-Materials unter die Erstarrungstemperatur vorgenommen.
– Beim Einsatz von bahnenförmig angeordnetem Fasermaterial und getrennt davon bereitgestelltem zähem oder flüssigem duroplastisch aushärtendem Matrixwerkstoff wird in Schritt d) ein Benetzen/Infiltrieren der Verstärkungsfasern des Fasermaterials mit Matrixwerkstoff im Formgebungswerkzeug vorgenommen. Danach erfolgt ein Erhitzen des Formgebungswerkzeuges und des Fasermaterials auf Reaktionstemperatur T_R, des duroplastischen Matrixwerkstoffs.
– In Schritt e) wird das Aushärten durch das Aufrechterhalten der Reaktionstemperatur T_R des duroplastischen Matrixwerkstoffs vorgenommen. Wenn das so entstandene duroplastische Faser-Matrix-Material hinreichend ausgehärtet ist, kann die Temperatur abgesenkt werden.
– Beim Einsatz von bahnenförmig angeordnetem Fasermaterial und thermoplastisch aushärtendem Matrixwerkstoff erfolgt in Schritt d) ein Zusammenführen der Verstärkungsfasern des Fasermaterials mit zähem oder flüssigem Matrixwerkstoff zu Faser-Matrix-Material durch Benetzen/Infiltrieren mit dem flüssigem Matrixmaterial oder aber durch Aufschmelzen von im Fasermaterial enthaltenem festem thermoplastischem Matrixmaterial durch Erhitzen des Formgebungswerkzeugs. In Schritt e) wird das Aushärten des umgeformten Faser-Matrix-Materials durch Abkühlung des thermoplastischen Faser-Matrix-Materials unter die Erstarrungstemperatur vorgenommen.

Dazu werden bei dem Verfahren Prägewerkzeuge verwendet, die an oder in einem Formgebungswerkzeug angeordnet sind und die während des Formgebungsprozesses des FKV-Bauteils unter Druck und/oder erhöhter Temperatur in das FMM eindringen und es nicht vollständig oder vollständig durchdringen, wobei die erzeugte Durchtrittsfläche A_D kleiner als, größer als oder identisch der Querschnittsfläche des einzubringenden Verbindungselementes ist.
Während des Formgebungsprozesses der FKV-Bauteile ist das darin enthaltene Matrixmaterial generell flüssig bzw. zäh. Dadurch können sich die Fasern um die, in dem Formgebungswerkezug angeordneten Prägewerkzeuge orientieren und dann von der Matrix vollständig umschlossen werden. Dieser Prozess der Prägung von einem oder mehreren Vorlöchern erfolgt zeitgleich bzw. im gleichen Prozessschritt mit dem Formgebungsprozess des FKV-Bauteils, so dass keine zusätzlichen Arbeitsschritte, keine weiteren Werkzeugmaschinen oder Vorrichtungen notwendig sind und keine zusätzliche Energie, insbesondere Wärmeenergie, für den Prägeprozess zur Herstellung von Vorlöchern eingesetzt werden muss. Die Fasern im Bereich der Vorlöcher des Faserkunststoffverbundes sind nicht unterbrochen, sondern um die Vorlöcher herum orientiert und vollständig eingebettet. Da die Vorlocheinbringung direkt im Formgebungswerkzeug erfolgt, sind keine zusätzlichen Urform- oder Umformwerkzeuge erforderlich.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vorlocheinbringung für die Verbindung von Faserkunststoffverbunden untereinander und mit anderen Werkstoffen weist mindestens ein ein- oder mehrteiliges Formgebungswerkzeug mit mindestens einer ersten beheizbaren und einer zweiten Pressform auf, deren Kontur der Oberfläche des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 entspricht, wobei mindestens eine Pressform mindestens ein Prägewerkzeug 3 zur Herstellung eines Vorlochs 8 aufweist.
Beim Zusammenfahren der Pressformen dringt das bevorzugt stiftförmige Prägewerkzeug 3 in das Faser-Matrix-Material 2 ein und verdrängt die Fasern im Bereich der Vorlöcher des Faserkunststoffverbundes, die sich entlang des Umfangs des Prägewerkzeuges 3 positionieren, ohne unterbrochen zu werden.
Zur Herstellung eines Vorlochs, das den konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 nicht vollständig durchdringt (Sackloch), weist das mindestens eine Prägewerkzeug 3, das an oder in der Pressform angeordnet ist, eine aus der Pressform ausragende Länge auf, die geringer als die Dicke S₁ des konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 ist.
Zur Herstellung eines Vorlochs, das den konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 vollständig durchdringt (durchgehendes Vorloch), weist das mindestens eine Prägewerkzeug 3, das an oder in der Pressform angeordnet ist, eine aus der Pressform ausragende Länge auf, die gleich oder größer als die Dicke S₁ des konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 ist.
Das mindestens eine Prägewerkzeug 3 ist fest oder lösbar mit der Pressform verbunden. Eine lösbare Verbindung ermöglicht vorteilhaft den raschen Austausch verschlissener Prägewerkzeuge 3. So können die Prägewerkzeuge 3 durch ein Schraubengewinde am Fuß des Prägewerkzeuges 3 mit einer Gewindebohrung im Formgebungswerkzeug lösbar verbunden werden. Gleichfalls bevorzugte Verbindungsformen sind Pressverbindungen oder Schrumpfverbindungen. Um ein leichtes Eindringen der Prägewerkzeuge 3 in das Faser-Matrix-Material zu ermöglichen, ist die Außenkontur im Wesentlichen stiftförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt weist das Prägewerkzeug 3 leichte Entformungsschrägen und keine Hinterschneidungen auf.
Bevorzugt weist das stiftförmige Prägewerkzeug 3 einen rotationssymetrischen Querschnitt auf. Besonders bevorzugt weist das stiftförmige Prägewerkzeug 3 im Querschnitt die Form eines Kegels 3 _A, eines Kegelstumpfes 3 _B oder eines sich verjüngenden Zylinders auf. Derartige Prägewerkzeuge 3 können stückzahlabhängig mit bekannten Verfahren (Drehen, Druckguß, Gesenkschmieden, Fließpressen) hergestellt werden. Alternativ weist das stiftförmige Prägewerkzeug 3 einen Querschnitt in Form eines n-Ecks, bevorzugt eines Dreiecks, eines Vierecks, eines Fünfecks oder eines Sechsecks auf. Derartige Prägewerkzeuge 3 können stückzahlabhängig mit bekannten Verfahren (Druckguß, Gesenkschmieden, Fließpressen) hergestellt werden. Als bevorzugte Werkstoffe für das Prägewerkzeug werden temperaturbeständige Kunststoffe, vorzugsweise PTFE oder Metalle, vorzugsweise 6056er Aluminiumlegierungen, eingesetzt.
Die Kosten für die Herstellung der Prägewerkzeuge 3 und deren Einbringung in das Formgebungswerkzeug sind deutlich geringer, als die Fertigungskosten für eine nachfolgende Vorlocheinbringung in jedem FKV-Bauteil an einem nachgelagerten Arbeitsplatz. So können die Prägewerkzeuge nachträglich mit bekannten Fertigungsverfahren, wie Bolzensetzen, Elementreibschweißen, Auftragsschweißen, Einpressen mit der Pressform verbunden werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, die Prägewerkzeuge lösbar, bevorzugt kraftschlüssig und/oder formschlüssig, besonders bevorzugt durch eine Schrauben- oder Klemmverbindung, mit der Pressform zu verbinden. Das erleichtert den Austausch verschlissener Prägewerkzeuge.
Im Falle einer nicht vollständigen Durchdringung der Löcher (ausragende Länge der Prägewerkzeuge minimal kleiner als die Bauteildicke des späteren FKV-Bauteils) besteht die vorteilhafte Möglichkeit, verschiedene Vorlochmuster (im Sinne von Sacklochbohrungen) einzuprägen. Dadurch können unterschiedliche Verschraubungsvarianten mit einem einzigen Bauteil realisiert werden, was sinnvoll ist, wenn das gleiche Bauteil für verschiedene Baugruppen (z.B. als Träger einer Karosserie für verschiedene Fahrzeugmodelle) eingesetzt werden soll.
Eine besonders bevorzugte Vorrichtung zur Vorlocheinbringung weist eine, aus der Umformtechnik bekannte Pressform mit einem beweglichen Oberwerkzeug 1 und einem feststehenden Unterwerkzeug 4 auf.
Eine weitere, ebenfalls bevorzugte Vorrichtung zur Vorlocheinbringung weist ein Formgebungswerkzeug mit einem beheizbaren Unterwerkzeug 4 auf, dessen Oberfläche der Kontur der Oberfläche des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 entspricht. In oder an der Oberfläche des Unterwerkzeugs 4 sind ein oder mehrere Prägewerkzeuge 3 an den Positionen angeordnet sind, an denen die Vorlöcher 8 geprägt werden. An Stelle eines Oberwerkzeuges weist die Vorrichtung eine gasdichte, biegeschlaffe Folie 15 auf, die das Unterwerkzeug 4 mit dem darauf positionierten Faser-Matrix-Materials 2 umschließt und gegenüber der Umgebung luftdicht abdichtet. Ebenso weist die Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks zwischen dem Unterwerkzeug 4 mit dem darauf positionierten Faser-Matrix-Materials 2 und der Folie 15 auf. Dadurch können mit einer flexiblen, sich an die Werkstückgeometrie anschmiegenden biegeschlaffen Folie 15 (als Ersatz für ein definiert geformtes Oberwerkzeug 1) mit einem Werkzeug verschiedene Werkstücke gefertigt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben und den zugehörigen Figuren gezeigt.
Es zeigen:
1 ein zweiteiliges Formgebungswerkzeug vor Beginn der Bearbeitung,
2 ein zweiteiliges Formgebungswerkzeug gemäß 1 nach Beginn des Formgebungsprozesses und des synchron verlaufenden Erzeugens eines Vorlochs,
3 ein zweiteiliges Formgebungswerkzeug gemäß 1 und 2 in der Endphase des Formgebungsprozesses,
4 ein zweiteiliges Formgebungswerkzeug gemäß 1 bis 3 nach dem Auseinanderfahren von Ober- und Unterwerkzeug (1, 4) nach erfolgter Konsolidierung des FMM zum FKV,
5 mögliche Gestaltungsformen von Vorlöchern 8 durch den Einsatz von Prägewerkzeugen 3,
6 mögliche Verbindungsformen von FKV-Bauteilen mit erfindungsgemäßem Vorloch mit einem zweiten oder weiteren Bauteil aus FKV oder einem anderen, geeigneten Werkstoff,
7 den Einsatz eines zweiteiligen Formgebungswerkzeuges, bestehend aus einem hohlförmigen Unterwerkzeug 4 und einem balligen Oberwerkzeug 1,
8 den Einsatz eines zweiteiligen Formgebungswerkzeuges, bestehend aus einem planen Unterwerkzeug 4 und einer gasdichten, biegeschlaffen Folie 15,
9 den Einsatz eines dreiteiligen Formgebungswerkzeuges, bestehend aus einem planen Unterwerkzeug 4, einer gasdichten, biegeschlaffen Folie 15 und einer gasdurchlässigen, biegeschlaffen Schutzmembran 17.
1 zeigt in der linken Abbildung in einer stark stilisierten Darstellung ein zweiteiliges Formgebungswerkzeug, bestehend aus einem Unterwerkzeug 4 und einem Oberwerkzeug 1.
Aus der planen Oberfläche des Unterwerkzeuges 4 ragt ein stiftförmiges, rotationssymmetrisches Prägewerkzeug 3 für das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 heraus. Dieses als Stift bzw. Pin ausgebildete Prägewerkzeug 3 weist im Querschnitt (vgl. Schnitt A-A) die Form eines Kegels 3 _A auf, der im unteren Bereich in einen Kegelstumpf 3 _B übergeht. Dieser Stift bzw. Pin ist über eine zylindrische Aufnahme 3 _C form-, kraft- oder stoffschlüssig mit einer Durchgangsbohrung 5 im Unterwerkzeug 4 verbunden. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, bei Bedarf den Stift oder Pin zu entfernen, sofern mit dem gleichen Unterwerkzeug 4 ein ähnliches Erzeugnis hergestellt wird, bei dem an dieser Position kein oder ein geometrisch anderes Vorloch vorgesehen ist. Das stiftförmige Prägewerkzeug 3 kann kostengünstig auf einem Drehautomaten spanend gefertigt, als Druckgussteil oder durch Fließpressen hergestellt werden.
Zwischen Ober- und Unterwerkzeug (1, 4) ist schematisch ein Faser-Matrix-Material 2 (FMM) in aufgelockerter Form, mit seiner Ausgangsdicke S₀, dargestellt, das Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff aufweist. Dabei sind die Verstärkungsfasern mit einem flüssigen bzw. zähen Matrixwerkstoff aus Duroplast getränkt, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Die mittlere Abbildung in 1 zeigt einen Schnitt entlang der Ebene A-A der linken Abbildung. Das Oberwerkzeug 1 weist eine, dem fertigen Halbzeug entsprechende, plane und glatte Oberfläche auf.
Die rechte Abbildung in 1 zeigt einen Schnitt durch das Faser-Matrix-Material 2 entlang der Betrachtungsebene B-B. Dabei sind die einzelnen Fasern 2 _F des Faser-Matrix-Materials regelmäßig gitter- oder netzförmig angeordnet.
2 zeigt in der linken und mittleren Darstellung den Beginn des Formgebungsprozesses und des synchron verlaufenden Erzeugens eines Vorlochs durch das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 durch das, aus der Oberfläche des Unterwerkzeuges 4 ausragende stiftförmige Prägewerkzeug 3. Die Pfeile F in der mittleren, geschnittenen Darstellung symbolisieren die Presskraft F und den daraus resultierenden Pressdruck, der auf Ober- und Unterwerkzeug (1, 4) wirkt. Die Temperatur von Ober- und Unterwerkzeug (1, 4) entspricht während des Formgebungsprozesses der erforderlichen matrixwerkstoffspezifischen Aushärtungstemperatur.
Die rechte Abbildung von 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung entlang der Betrachtungsebene D-D das lokale Eindringen des stiftförmigen Prägewerkzeuges 3, welches das Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 im Bereich des zu erzeugenden Vorlochs realisiert. Deutlich sichtbar wird, wie die einzelnen Fasern 2 _F des Faser-Matrix-Materials 2 dem eindringenden stiftförmigen Prägewerkzeug 3 ausweichen und sich um dessen Außenkontur orientieren.
3 zeigt in der linken und mittleren Darstellung die Endphase des Formgebungsprozesses, bei dem synchron durch das eindringende stiftförmige Prägewerkzeug 3 das künftige Vorloch geformt wird. Der aus der Anpresskraft F resultierende Anpressdruck beträgt zu diesem Zeitpunkt mindestens 0,2 bar. In diesem Fall durchdringt das stiftförmige Prägewerkzeug 3, welches das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 bewirkte, nicht vollständig die endgültige Schichtdicke S₁ des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6. Somit entsteht ein Sackloch als Vorloch mit einem entsprechenden Restquerschnitt 7 des FKV am Vorlochgrund für das spätere Verbinden dieses FKV mit anderen FKV oder mit Werkstücken oder Halbzeugen aus anderen geeigneten Werkstoffen.
Die rechte Abbildung von 3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung entlang der Betrachtungsebene G-G das im konsolidierten Faserkunststoffverbund befindliche stiftförmige Prägewerkzeug 3, welches das Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 im Bereich des zu erzeugenden Vorlochs realisierte. Die Lage der einzelnen vom Matrixwerkstoff 6 _M eingebetteten Fasern 6 _F im konsolidierten Faserkunststoffverbund 6, um die Außenkontur des stiftförmigen Prägewerkzeuges 3 herumorientiert, ist mit gestrichelten Linien dargestellt.
4 zeigt das Auseinanderfahren von Ober- und Unterwerkzeug (1, 4) nach erfolgter Konsolidierung. Die Schichtdicke S₁ des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 ist gegenüber der Schichtdicke S₀ des eingesetzten FKV (siehe 1, mittlere Darstellung) um den faser-matrix-materialspezifischen Verdichtungsgrad reduziert. Die mittlere Darstellung in 4 zeigt, dass die Innenkontur des beim Formgebungsprozess gleichzeitig erzeugten Vorloches 8 der Außengeometrie des stiftförmigen, rotationssymmetrischen Prägewerkzeuges 3 entspricht. Die rechte Abbildung zeigt in der Bezugsebene J-J einen Schnitt durch den Faserverlauf des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 im Bereich der größten Verdrängung in der Nähe des Fußes des stiftförmigen Prägewerkzeuges 3. Durch die gezielte Steuerung des Formgebungsprozesses und eine geeignete Prozessführung (Anpressdruck, Arbeitstemperatur) gelingt es, ohne Zerstörung der einzelnen Fasern 2 _F (siehe 2, Schnitt D-D) bzw 6 _F, ein schonendes Umorientieren der einzelnen Fasern 2 _F bzw. 6 _F im Bereich des Vorlochs 8 zu realisieren, welches den Faserkunststoffverbund 6 partiell, jedoch nicht vollständig durchdringt.
5 zeigt mögliche Gestaltungsformen von Vorlöchern 8 durch den Einsatz von Prägewerkzeugen im Unter- und/oder im Oberwerkzeug, die den konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 partiell, jedoch nicht vollständig oder vollständig durchdringen. Wegen der besseren Darstellung wird auf eine Wiedergabe von Ober- und Unterwerkzeug verzichtet.
5a zeigt ein, den konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 nicht vollständig durchdringendes Vorloch 8, erzeugt durch den Einsatz eines im Wesentlichen stiftförmigen Prägewerkzeuges, das im Unterwerkzeug angeordnet ist. Am Vorlochgrund ist ein verbliebener, nicht durchdrungener Restquerschnitt 7 des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 dargestellt.
5b zeigt ein, den konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 vollständig durchdringendes Vorloch 8, erzeugt durch den Einsatz eines im Wesentlichen stiftförmigen Prägewerkzeuges, das im Oberwerkzeug angeordnet ist und in das Unterwerkzeug eintaucht.
5c zeigt zwei, den konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 nicht vollständig durchdringende Vorlöcher 8, erzeugt durch den Einsatz zweier, im Ober- und Unterwerkzeug fluchtend zueinander angeordneter, im Wesentlichen stiftförmiger Prägewerkzeuge.
5d zeigt zwei, den konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 nicht vollständig durchdringende Vorlöcher 8, erzeugt durch den Einsatz zweier, im Ober- und Unterwerkzeug voneinander versetzt angeordneter, im Wesentlichen stiftförmiger Prägewerkzeuge.
6 zeigt mögliche Verbindungsformen von Bauteilen aus FKV 6 mit erfindungsgemäßem Vorloch 8 mit einem zweiten Bauteil aus FKV oder einem anderen, geeigneten Werkstoff. Ein Pfeil mit einem Querstrich zeigt die Eindringrichtung des (nicht dargestellten) Prägewerkzeuges in den FKV an.
6a zeigt ein Bauteil aus FKV 6 mit integriertem Vorloch 8, das den Faserkunststoffverbund 6 nicht vollständig durchdringt. Die lösbare Verbindung des Bauteils aus FKV 6 mit einem weiteren, geeigneten Bauteil 9 erfolgt durch ein Fügeelement mit materialdurchdringungsfähiger Geometrie für FKV, das als Fließlochschraube 10 ausgebildet ist.
6b zeigt ein Bauteil aus FKV 6 mit Vorloch 8, das den Faserkunststoffverbund 6 nicht vollständig durchdringt. Die lösbare Verbindung mit einem weiteren, geeigneten Bauteil 9 mit Gewindebohrung 11 erfolgt durch ein Fügeelement mit materialdurchdringungsfähiger Geometrie für FKV, das als Fließlochschraube 10 mit metrischem Gewinde ausgebildet ist.
6c zeigt ein Bauteil aus FKV 6 mit Vorloch 8, das den Faserkunststoffverbund 6 nicht vollständig durchdringt. Der verbleibende, nicht durchdrungene Restquerschnitt 7 des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 kann bei Bedarf vor dem Fügen mit bekannten Mitteln, wie Stanzen, Fräsen oder Bohren entfernt werden, so dass ein Durchgangsloch 12 im Restquerschnitt entsteht. Die lösbare Verbindung mit einem weiteren, geeigneten Bauteil 9 erfolgt durch ein Fügeelement ohne materialdurchdringungsfähiger Geometrie für FKV, das als metrische Schraube 13 ausgebildet ist.
6d zeigt ein geeignetes Bauteil 9 aus beliebigem Werkstoff mit Durchgangsbohrung 14. Die lösbare Verbindung mit dem Bauteil aus FKV 6 mit Vorloch 8, das den Faserkunststoffverbund 6 nicht vollständig durchdringt, erfolgt durch ein Fügeelement mit materialdurchdringungsfähiger Geometrie für FKV, das als Fließlochschraube 10 ausgebildet ist.
7 zeigt in vier Arbeitsstufen (von links nach rechts) den Einsatz eines zweiteiligen Formgebungswerkzeuges mit einer, von der Ebenen abweichenden Werkzeugoberfläche, bestehend aus einem balligen Unterwerkzeug 4 und einem hohlförmigen Oberwerkzeug 1. Größe und Geometrie von Unterwerkzeug 4 und Oberwerkzeug 1 sind formideal aufeinander abgestimmt und entsprechen der Kontur des späteren, konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6. Im Unterwerkzeug 4 sind vier Prägewerkzeuge 3 beabstandet angeordnet. Die Arbeitsstufen entsprechen denen in 1 bis 4.
8 zeigt in vier Arbeitsstufen (von links nach rechts) den Einsatz eines Formgebungswerkzeuges, bestehend aus einem Unterwerkzeug 4 und einer gasdichten, biegeschlaffen Folie 15. Aus der planen Oberfläche des Unterwerkzeuges 4 ragt ein stiftförmiges, rotationssymmetrisches Prägewerkzeug 3 für das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 heraus. Dieses als Stift bzw. Pin ausgebildete Prägewerkzeug 3 weist im Querschnitt die Form eines Kegels 3 _A auf, der im unteren Bereich in einen Kegelstumpf 3 _B übergeht. Dieser Stift bzw. Pin ist über eine zylindrische Aufnahme 3 _C form-, kraft- oder stoffschlüssig mit einer Durchgangsbohrung 5 im Unterwerkzeug 4 verbunden.
In der linken Abbildung ist zwischen gasdichter, biegeschlaffer Folie 15 und Unterwerkzeug 4 schematisch ein Faser-Matrix-Material 2 (FMM) in aufgelockerter Form, mit seiner Ausgangsdicke S₀, dargestellt, das Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff aufweist. Dabei sind die Verstärkungsfasern mit einem flüssigen bzw. zähen Matrixwerkstoff aus Duroplast getränkt, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Die zweite Abbildung von links zeigt den Beginn des Formgebungsprozesses und des synchron verlaufenden Erzeugens eines Vorlochs durch das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 durch das, aus der Oberfläche des Unterwerkzeuges 4 ausragende stiftförmige Prägewerkzeug 3. Über eine Entlüftungsbohrung 16 wird die Luft zwischen gasdichter, biegeschlaffer Folie 15 und Unterwerkzeug 4 abgesaugt, sodass im Formgebungswerkzeug ein Unterdruck aufgebaut wird. Die Pfeile symbolisieren den atmosphärischen Druck, der auf die gasdichte, biegeschlaffe Folie 15 und das Unterwerkzeug 4 wirkt. Die Temperatur des Unterwerkzeugs 4 und der gasdichten, biegeschlaffen Folie 15 entspricht während des Formgebungsprozesses der erforderlichen matrix-werkstoffspezifischen Aushärtungstemperatur.
Die dritte Abbildung von links zeigt die Endphase des Formgebungsprozesses, bei dem synchron durch das eindringende stiftförmige Prägewerkzeug 3 das künftige Vorloch geformt wird. Der aus dem Vakuum resultierende Anpressdruck p beträgt zu diesem Zeitpunkt mindestens 0,2 bar. In diesem Fall durchdringt das stiftförmige Prägewerkzeug 3, welches das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 bewirkt, nicht vollständig die endgültige Schichtdicke S₁ des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6. Somit entsteht ein Sackloch als Vorloch mit einem entsprechenden Restquerschnitt 7 des FKV am Vorlochgrund, für das spätere Verbinden dieses FKV mit anderen Faserkunststoffverbunden oder mit Werkstücken oder Halbzeugen aus anderen geeigneten Werkstoffen.
Die rechte Abbildung zeigt das Abheben von gasdichter, biegeschlaffer Folie 15 vom Unterwerkzeug 4 nach erfolgter Konsolidierung. Die Schichtdicke S₁ des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 ist gegenüber der Schichtdicke S₀ des eingesetzten FKV um den faser-matrix-materialspezifischen Verdichtungsgrad reduziert. Es ist zu erkennen, dass die Innenkontur des beim Formgebungsprozess gleichzeitig erzeugten Vorloches 8 der Außengeometrie des stiftförmigen Prägewerkzeuges 3 entspricht. Durch die gezielte Steuerung des Formgebungsprozesses und eine geeignete Prozessführung (Anpressdruck, Arbeitstemperatur) gelingt es, ohne Zerstörung der einzelnen Fasern, ein schonendes Umorientieren der einzelnen Fasern im Bereich des Vorlochs 8 zu realisieren, welches den Faserkunststoffverbund 6 partiell, jedoch nicht vollständig durchdringt.
9 zeigt in vier Arbeitsstufen (von links nach rechts) den Einsatz eines dreiteiligen Formgebungswerkzeuges bestehend aus einem Unterwerkzeug 4, einer gasdurchlässigen, biegeschlaffen Schutzmembran 17 und einer gasdichten, biegeschlaffen Folie 15. Aus der planen Oberfläche des Unterwerkzeuges 4 ragt ein stiftförmiges, rotationssymmetrisches Prägewerkzeug 3 für das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 heraus. Dieses als Stift bzw. Pin ausgebildete Prägewerkzeug 3 weist im Querschnitt die Form eines Kegels 3 _A auf, der im unteren Bereich in einen Kegelstumpf 3 _B übergeht. Dieser Stift bzw. Pin ist über eine zylindrische Aufnahme 3 _C form-, kraft- oder stoffschlüssig mit einer Durchgangsbohrung 5 im Unterwerkzeug 4 verbunden. In der linken Abbildung ist zwischen gasdichter, biegeschlaffer Folie 15, gasdurchlässiger, biegeschlaffer Schutzmembran 17 und Unterwerkzeug 4 schematisch ein Faser-Matrix-Material 2 (FMM) in aufgelockerter Form, mit seiner Ausgangsdicke S₀, dargestellt, das Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff aufweist. Dabei sind die Verstärkungsfasern mit einem flüssigen bzw. zähen Matrixwerkstoff aus Duroplast getränkt, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Die zweite Abbildung von links zeigt den Beginn des Formgebungsprozesses und des synchron verlaufenden Erzeugens eines Vorlochs durch das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 durch das, aus der Oberfläche des Unterwerkzeuges 4 ausragende stiftförmige Prägewerkzeug 3. Über eine Entlüftungsbohrung 16 wird die Luft zwischen gasdichter, biegeschlaffer Folie 15, gasdurchlässiger, biegeschlaffer Schutzmembran 17 und Unterwerkzeug 4 abgesaugt, so dass im Formgebungswerkzeug ein Unterdruck aufgebaut wird. Die Pfeile symbolisieren den atmosphärischen Druck, der auf gasdichte biegeschlaffe Folie 15 und Unterwerkzeug 4 wirkt. Die Temperatur des Unterwerkzeugs 4, der gasdurchlässigen, biegeschlaffen Schutzmembran 17 und der gasdichten, biegeschlaffen Folie 15 entspricht während des Formgebungsprozesses der erforderlichen matrixwerkstoffspezifischen Aushärtungstemperatur.
Die dritte Abbildung von links zeigt die Endphase des Formgebungsprozesses, bei dem synchron durch das eindringende stiftförmige Prägewerkzeug 3 das künftige Vorloch geformt wird. Der aus dem Vakuum resultierende Anpressdruck p beträgt zu diesem Zeitpunkt mindestens 0,2 bar. In diesem Fall durchdringt das stiftförmige Prägewerkzeug 3, welches das lokale Verdrängen des Faser-Matrix-Materials 2 bewirkt, vollständig die endgültige Schichtdicke S₁ des konsolidierten Faserkunststoffverbundes und dringt in die gasdurchlässige, biegeschlaffe Schutzmembran 17 ein. Dadurch wird die gasdichte, biegeschlaffe Folie 15 vor Beschädigungen durch das Prägewerkzeug 3 geschützt. Im FKV entsteht ein Durchgangsloch als Vorloch, mit einer entsprechenden Durchtrittsfläche A_D, für das spätere Verbinden dieses FKV mit anderen Faserkunststoffverbunden oder mit Werkstücken oder Halbzeugen aus anderen Werkstoffen.
Die rechte Abbildung zeigt das Abheben von gasdichter, biegeschlaffer Folie 15 und gasdurchlässiger biegeschlaffer Schutzmembran 17 vom Unterwerkzeug 4 nach erfolgter Konsolidierung. Die Schichtdicke S₁ des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 ist gegenüber der Schichtdicke S₀ des eingesetzten FKV um den faser-matrix-materialspezifischen Verdichtungsgrad reduziert. Es ist zu erkennen, dass die Innenkontur des beim Formgebungsprozess gleichzeitig erzeugten Vorloches 8 der beim Konsolidieren im FKV 6 befindlichen Außengeometrie des stiftförmigen Prägewerkzeuges 3 entspricht.
Durch die gezielte Steuerung des Formgebungsprozesses und eine geeignete Prozessführung (Anpressdruck, Arbeitstemperatur) gelingt es, ohne Zerstörung der einzelnen Fasern, ein schonendes Umorientieren der einzelnen Fasern im Bereich des Vorlochs 8 zu realisieren, welches den Faserkunststoffverbund 6 vollständig durchdringt.
Ausführungsbeispiel 1 (Fig. 1 bis Fig. 4):
Herstellung eines ebenen, ca. 4 mm starken FKV 6 mit integrierten Vorlöchern aus Hybridfasergewebe „WG1-LPET-750“ (Glasfasern und PET-Fasern) der Firma Comfil für den Einsatz als Formteil im Flugzeugbau
Das Formgebungswerkzeug zur Herstellung eines ebenen FKV 6 mit Vorlöchern in Form von Sacklöchern besteht aus zwei beheizbaren Werkzeughälften (siehe 1). Das Oberwerkzeug 1 ist eben und glatt. Im Unterwerkzeug 4 sind Pins als Prägewerkzeuge 3 an den Positionen angeordnet, an denen sich später die integrierten Vorlöcher 8 befinden. Die Pins entsprechen der Geometrie des späteren Vorlochs 8, wobei Hinterschnitte vermieden und Ausformschrägen erforderlich sind.
Die Höhe der Pins richtet sich nach der Dicke S₁ des späteren, konsolidierten FKV 6. Es wird ein möglichst geringer Restquerschnitt 7 angestrebt, wobei jedoch sichergestellt sein muss, dass kein Pin die obere Werkzeughälfte berührt. In diesem Anwendungsbeispiel mit einer FKV-Dicke von 4,0 mm wurde eine Pinhöhe von 3,7 mm gewählt.
Ober- und Unterwerkzeug (1, 4) werden mit einem Trennmittel behandelt, um ein sicheres Entformen zu gewährleisten. Anschließend wird bei Raumtemperatur das Hybridfasergewebe mit Faserrichtung 0°/90° auf die mit Pin bestückte Werkzeugunterhälfte gelegt. Insgesamt 11 Lagen des WG1-LPET-750 sind erforderlich, um die gewünschte Dicke von 4,0 mm zu realisieren.
Danach wird das Oberwerkzeug 1 auf den Gewebelagen positioniert. Anschließend werden Ober- und Unterwerkzeug (1, 4) langsam unter einer Kraft so zusammengedrückt, dass sich ein Druck von ca. 1 bar auf das Gewebe einstellt. Während des Zusammendrückens dringen die Pins in das Gewebe ein und verdrängen die Hybridfasern, welche sich um den Pin herum orientieren.
Danach werden die Werkzeughälften gleichmäßig mit 0,3°C/sek. auf 250°C erwärmt und diese Temperatur für 5 min gehalten. Während dieser Aufheizphase muss der Druck von ca. 1 bar aufrechtgehalten werden.
Danach erfolgt die Abkühlung des Werkzeugs bei gleichem Druck. Ab einer Temperatur unterhalb von 60°C wird die Anpresskraft auf null reduziert, das Oberwerkzeug 1 hochgefahren und das fertige, konsolidierte FKV-Bauteil 6 mit integrierten, als Sackloch ausgebildeten Vorlöchern entnommen.
Ausführungsbeispiel 2 (Fig. 9):
Herstellung eines gekrümmten, 3,5 mm starken FKV mit integrierten Vorlöchern aus Hybridfasergewebe WG1-LPET-750 für den Einsatz als Karosserieverkleidung
Das Formgebungswerkzeug (siehe 9) zur Herstellung des gekrümmten FKV mit Vorlöchern in Form von Durchgangslöchern besteht aus einem beheiz- und regelbaren Unterwerkzeug 4. Die Oberfläche des Werkzeuges, die die zu verarbeitenden Gewebelagen berührt, ist ein formideales Gegenstück des herzustellenden konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6.
An der Oberfläche des Unterwerkzeuges 4 sind mehrere Pins als Prägewerkzeuge 3 an den Positionen angeordnet, an denen sich später die integrierte Vorlöcher 8 (Durchgangslöcher) befinden sollen. Die Prägewerkzeuge 3 entsprechen der Geometrie des späteren integrierten Vorloches 8, wobei Hinterschnitte vermieden werden sollen und Ausformschrägen erforderlich sind.
Die Höhe der stiftförmigen Prägewerkzeuge 3 (Pins) richtet sich nach der Dicke des späteren konsolidierten FKV 6. Im vorliegenden Fall soll eine vollständige Durchdringung des Faserkunststoffverbundes 6 realisiert werden. In diesem Anwendungsbeispiel mit einer FKV-Dicke von 3,5 mm wurde eine Pinhöhe von 4,0 mm gewählt.
Um ein leichtes Entformen des konsolidierten Faserkunststoffverbundes zu ermöglichen, wird das untere Werkzeug 4 mit einem geeigneten Trennmittel behandelt.
Anschließend wird bei Raumtemperatur das Hybridfasergewebe mit Faserrichtung 0°/90° auf das mit Prägewerkzeugen 3 bestückte Unterwerkzeug 4 gelegt. Das Hybridfasergewebe besteht dabei aus insgesamt 9 Lagen des WG1-LPET-750
Als oberes Werkzeug wird eine gasdichte, biegeschlaffe Folie 15 verwendet, die das untere Werkzeug umschließt und gegenüber der Umgebung luftdicht abdichtet.
Um eine Zerstörung der gasdichten Folie 15 durch die, das Hybridfasergewebe durchdringenden Prägewerkzeuge 3 zu verhindern, wird eine gasdurchlässige, biegeschlaffe Schutzmembran 17 aus verwobenen PTFE Fasern auf das Hybridfasergewebe aufgelegt. Die entsprechend der Höhe der verwendeten Prägewerkzeuge 3 ausgewählte, gasdurchlässige Schutzmembran verhindert bei der nachfolgenden Formgebung ein Eindringen in die, als oberes Werkzeug verwendete gasdichte, biegeschlaffe Folie 15.
Anschließend wird mit bekannten Mitteln ein Unterdruck zwischen gasdichter, biegeschlaffer Folie 15, gasdurchlässiger, biegeschlaffer Schutzmembran 17 und Unterwerkzeug 4 erzeugt (Druckdifferenz p = –1 bar).
Während des Anpressens durchdringen die Prägewerkzeuge 3 das Gewebe (Faser-Matrix-Material 2) vollständig und verdrängen die Hybridfasern, die sich um die Prägewerkzeuge 3 herum orientieren. Danach wird das Unterwerkzeug 4 gleichmäßig mit 0,3°C/sek. auf 260°C erwärmt und diese Temperatur für 5 min gehalten. Während dieser Aufheizphase muss der Unterduck von ca. –1 bar aufrechtgehalten werden. Danach erfolgt die Abkühlung des Werkzeugs bei konstantem Unterdruck. Ab einer Temperatur von 60° C wird der Unterduck abgebaut, die biegeschlaffe Folie 15 und die Schutzmembran 17 entfernt und das fertige, konsolidierte FKV-Bauteil 6 mit den integrierten Vorlöchern als Durchgangslöcher entnommen.
Bezugszeichenliste

1: Oberwerkzeug
2: Faser-Matrix-Material (FMM)
2_F: einzelne Faser (Verstärkungsfaser) des Faser-Matrix-Materials
3: Prägewerkzeug
3_A: kegelförmiger Teil des Prägewerkzeuges
3_B: kegelstumpfförmiger Teil des Prägewerkzeuges
3_C: zylindrische Aufnahme des Prägewerkzeuges
4: Unterwerkzeug
5: Durchgangsbohrung (Befestigung für Prägewerkzeug)
6: Faserkunststoffverbund (FKV)
6_F: eingebettete Faser (Verstärkungsfaser)
6_M: konsolidierter Matrixwerkstoff
7: Restquerschnitt (nicht durchdrungener Querschnitt des konsolidierten FKV am Vorlochgrund)
8: Vorloch
9: Bauteil
10: Fließlochschraube
11: Gewindebohrung
12: Durchgangsloch im Restquerschnitt
13: metrische Schraube
14: Durchgangsbohrung (im Bauteil 9)
15: gasdichte, biegeschlaffe Folie
16: Entlüftungsbohrung
17: gasdurchlässige, biegeschlaffe Schutzmembran
s₀: Schichtdicke des Faser-Matrix-Materials vor Formgebungsprozess
s₁: Schichtdicke des konsolidierten Faserkunststoffverbundes
A_D: Durchtrittsfläche
T_R: Reaktionstemperatur
p: Druck

Claims

Verfahren zur Vorlocheinbringung für die Verbindung von Faserkunststoffverbunden untereinander und/oder mit anderen Werkstoffen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines ein- oder mehrteiligen Formgebungswerkzeuges für die Formgebung wobei das Formgebungswerkzeug mindestens ein Prägewerkzeug 3 zur Herstellung eines Vorlochs 8 aufweist, b) Bereitstellen des Fasermaterials und des Matrixwerkstoffs oder des Faser-Matrix-Materials 2, c) Positionieren des Fasermaterials- oder des Faser-Matrix-Materials 2 im Formgebungswerkzeug, d) Umformen des Faser-Matrix-Materials 2 oder des Fasermaterials unter Zusammenführung mit dem Matrixmaterial sowie lokales Verdrängen der Verstärkungsfasern 2 _F an mindestens einer Stelle eines späteren Vorloches 8 durch mindestens ein Prägewerkzeug 3 unter einem Druck p, e) Aushärten des umgeformten Faser-Matrix-Materials 2.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – in Schritt b) unkonsolidiertes oder teilkonsolidiertes platten- oder bahnenförmiges duroplastisches Faser-Matrix-Material 2 bereitgestellt wird, und – in Schritt d) ein Erhitzen des Formgebungswerkzeuges und des Fasermaterials auf die Reaktionstemperatur T_R, des duroplastischen Matrixwerkstoffs erfolgt, und – in Schritt e) das Aushärten durch das Aufrechterhalten der Reaktionstemperatur T_R des duroplastischen Matrixwerkstoffs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – in Schritt b) plattenfömig angeordnetes erstarrtes thermoplastisches Faser-Matrix-Material bereitgestellt wird, und – in Schritt d) ein Erhitzen des Formgebungswerkzeuges und des Faser-Matrix-Materials 2 auf Erweichungstemperatur des thermoplastischem Faser-Matrix-Materials und – in Schritt e) das Aushärten des umgeformten Faser-Matrix-Materials 2 durch Abkühlung des thermoplastischen Faser-Matrix-Materials 2 erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – in Schritt b) bahnenförmig angeordnetes Fasermaterial und zäher oder flüssiger duroplastisch aushärtender Matrixwerkstoff bereitgestellt werden, und – in Schritt d) ein Benetzen/Infiltrieren der Verstärkungsfasern 2 _F des Fasermaterials mit Matrixwerkstoff im Formgebungswerkzeug erfolgt, und danach ein Erhitzen des Formgebungswerkzeuges und des Fasermaterials auf Reaktionstemperatur T_R, des duroplastischen Matrixwerkstoffs erfolgt, und – in Schritt e) das Aushärten durch das Aufrechterhalten der Reaktionstemperatur T_R des duroplastischen Matrixwerkstoffs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – in Schritt b) bahnenförmig angeordnetes Fasermaterial und thermoplastisch aushärtender Matrixwerkstoff bereitgestellt werden, und – in Schritt d) ein Zusammenführen der Verstärkungsfasern 2 _F des Fasermaterials mit zähem oder flüssigem Matrixwerkstoff zu Faser-Matrix-Material durch Benetzen/Infiltrieren mit dem flüssigem Matrixmaterial oder durch Aufschmelzen von im Fasermaterial enthaltenen festen thermoplastischen Matrixmaterial durch Erhitzen des Formgebungswerkzeugs erfolgt, und – in Schritt e) das Aushärten des umgeformten Faser-Matrix-Materials 2 durch Abkühlung des thermoplastischen Faser-Matrix-Materials 2 erfolgt.
Vorrichtung zur Vorlocheinbringung für die Verbindung von Faserkunststoffverbunden untereinander und/oder mit anderen Werkstoffen, aufweisend mindestens ein ein- oder mehrteiliges Formgebungswerkzeug mit mindestens einer ersten beheizbaren und mindestens einer zweiten Pressform, deren Kontur der Oberfläche des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 entspricht, wobei mindestens ein Formgebungswerkzeug mindestens ein Prägewerkzeug 3 zur Herstellung eines Vorlochs 8 aufweist.
Vorrichtung zur Vorlocheinbringung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Prägewerkzeug 3 an oder in dem Formgebungswerkzeug so angeordnet ist, dass das Prägewerkzeug 3 in das Fasermaterial bzw. Faser-Matrix-Material 2 eindringt, jedoch den konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 nicht vollständig durchdringt.
Vorrichtung zur Vorlocheinbringung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Prägewerkzeug 3 an oder in dem Formgebungswerkzeug so angeordnet ist, dass das Prägewerkzeug 3 den konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 vollständig durchdringt.
Vorrichtung zur Vorlocheinbringung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungswerkzeug ein ein- oder mehrteiliges Oberwerkzeug 1 und ein ein- oder mehrteiliges Unterwerkzeug 4 aufweist.
Vorrichtung zur Vorlocheinbringung, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungswerkzeug ein beheizbares Unterwerkzeug 4 aufweist, dessen Oberfläche der Kontur der Oberfläche des konsolidierten Faserkunststoffverbundes 6 entspricht, wobei in oder an der Oberfläche des Unterwerkzeugs 4 ein oder mehrere Prägewerkzeuge 3 an den Positionen angeordnet sind, an denen die Vorlöcher 8 geprägt werden und die Vorrichtung eine gasdichte, biegeschlaffe Folie 15 aufweist, die das Unterwerkzeug 4 mit dem darauf positionierten Faser-Matrix-Material 2 bzw. konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 umschließt und gegenüber der Umgebung luftdicht abdichtet und die Vorrichtung Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks zwischen dem Unterwerkzeug 4 mit dem darauf positionierten Faser-Matrix-Material 2 bzw. Faserkunststoffverbund 6 und der Folie 15 aufweist.
Vorrichtung zur Vorlocheinbringung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der gasdichten Folie 15 und dem, auf dem Unterwerkzeug 4 positionierten Faser-Matrix-Material 2 bzw. konsolidierten Faserkunststoffverbund 6 eine gasdurchlässige biegeschlaffe Schutzmembran 17 angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das stiftförmige Prägewerkzeug 3 einen rotationssymetrischen Querschnitt, vorzugsweise die Form eines Kegels 3 _A, eines Kegelstumpfes 3 _B oder eines sich verjüngenden Zylinders aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das stiftförmige Prägewerkzeug 3 einen Querschnitt in Form eines n-Ecks oder n-ten Polygones, bevorzugt eines Dreiecks, eines Vierecks, eines Fünfecks, eines Sechsecks, einer Ellipse, eines Dreipunkt-, eines Vierpunkt-, eines Fünfpunkt- oder eines Sechspunktpolygons und vorzugsweise die Form eines Kegels 3 _A, eines Kegelstumpfes 3 _B oder eines sich verjüngenden Zylinders aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug 3 auf einem Drehautomaten spanend gefertigt, als Druckgußteil urgeformt, fließgepresst oder gesenkgeschmiedet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, 10 oder 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug 3 aus temperaturbeständigen Kunststoffen, vorzugsweise PTFE oder Metallen, vorzugsweise 6056er Aluminiumlegierungen besteht.