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Die Erfindung betrifft Formwerkzeuge zur Herstellung eines Faserverbundteils sowie Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundteils, insbesondere aus FVK-Laminat.
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Das Anwendungsspektrum von Faserverbundwerkstoffen ist sehr vielfältig. Dabei sind verschiedene Qualitäten von faserverstärkten Kunststoffbauteilen zu unterscheiden: Ein sehr hohes Leichtbaupotenzial bieten die sogenannten Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe. Sie bestehen vorwiegend aus hochwertigen Faserhalbzeugen mit Endlosfaserverstärkung wie Geweben oder Gelegen, die entsprechend der mechanischen Lasten im Bauteil ausgerichtet werden, und weisen einen Faservolumenanteil (Anteil der Fasern am Bauteilvolumen) von mindestens ca. 40%, vorzugsweise ca. 50 % oder mehr auf. Ein weitaus geringeres Leichtbaupotenzial weisen sogenannte harzreiche FVK-Bauteile (FVK: faserverstärkter Kunststoff oder Faserverbundkunststoff) auf. Sie bestehen aus ungerichteter Kurz-oder Langfaserverstärkung und weisen einen Faservolumenanteil von zumeist unter 30 % auf. Harzreiche FVK-Bauteile enthalten also vorwiegend Kunststoffmatrix mit geringem Faserverstärkungsanteil.
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Ein wesentlicher Vorteil von harzreichen FVK-Bauteilen gegenüber Hochleistungsfaserverbundbauteilen sind die dafür verfügbaren effizienteren Produktionstechnologien, die eine erhöhte Produktivität zu geringeren Kosten ermöglichen. So können komplexe FVK-Bauteile mit Kurzfaserverstärkung in entsprechenden Spritzgussmaschinen sehr effizient hergestellt werden, wobei Faservolumenanteile von knapp unter 30 % erreicht werden. Auch für typische flächige Karosseriebauteile im Fahrzeugbau wurden mit Pressverfahren wie BMC (Bulk Moulding Compound), SMC (Sheet Moulding Compound) und RTM (Resin Transfer Moulding) effiziente Produktionstechnologien entwickelt, die für harzreiche Faserverbundbauteile kurze Zykluszeiten und mittlere bis hohe Stückzahlen ermöglichen.
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Für die Fertigung von Hochleistungsfaserverbundbauteilen hingegen sind bislang nur Herstellungsverfahren verfügbar, die lange Zykluszeiten erfordern und entsprechend hohe Stückkosten verursachen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie erreicht man höchste Qualitätsanforderungen bei der Herstellung von Bauteilen aus maschinell vorgetränkten Faserhalbzeugen, sogenannten Prepregs, die in Formen abgelegt und anschließend in Druckkammern (Autoklaven) konsolidiert werden. Auf diese Weise können Langfaserverstärkungen entsprechend der Bauteilbelastung ausgerichtet und hohe Faservolumenanteile mit hoher Laminatqualität und geringem Porengehalt erreicht werden. Entsprechende Verfahren erfordern allerdings einen hohen Energieaufwand, sind extrem aufwendig, haben entsprechend lange Taktzeiten und sind teuer. Im Fahrzeugbau kommen solche Verfahren deshalb nur in speziellen Nischen wie dem Automobilrennsport zum Einsatz. Für die wirtschaftliche Großserienproduktion in der Fahrzeugindustrie sind sie hingegen nicht geeignet.
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Es sind Herstellungsverfahren für Faserverbundbauteile bekannt, bei denen die Faserwerkstoffe in der Form imprägniert werden, sogenannte In-Mould-Imprägnierverfahren. Beispielsweise wird beim RTM-Verfahren eine geschlossene Form, bestehend aus Ober-und Unterform verwendet, in die ein vorgeformtes Faserhalbzeug (Preform) eingelegt wird, das die Kavität vollständig ausfüllt. Dementsprechend wird die Matrix durch die Faserzwischenräume zugeführt, weshalb hohe Injektionsdrücke und lange Injektionszeiten erforderlich sind. Der Überdruck in der Kavität kann bei über 25 bar liegen, was entsprechend hohe Zuhaltekräfte für die Form und beidseitig stabile Formwerkzeuge erforderlich macht. Bei sehr hohen Injektionsdrücken kann es zu einer Verschiebung der Verstärkungsfasern kommen. Geringere Injektionsdrücke verlängern allerdings die Zeit der Harzzufuhr und Laminattränkung.
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Bei Infusionsverfahren hingegen wird die Kavität, in die zuvor das Preform eingelegt wurde, mit einer Vakuumpumpe evakuiert und der Matrixwerkstoff über die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem erzeugten Unterdruck in das Laminat getrieben. Dabei können auch einseitig stabile Formwerkzeuge eingesetzt werden, bei denen die obere Formenhälfte durch eine kostengünstige Form, insbesondere eine Vakuumfolie, ersetzt werden kann, wobei allerdings größere Toleranzen bei der Bauteilwandstärke in Kauf genommen werden müssen. Durch zusätzliche Fließhilfen, z.B. Netze oder Gitter, die zwischen das Preform und die Vakuumfolie eingelegt werden, um die Vakuumsfolie auf Abstand zu halten, entstehen Fließkanäle für den Matrixwerkstoff, um die Tränkung des Laminats erleichtern. Ein wesentlicher Nachteil des Infusionsverfahrens ist der hohe Materialabfall, da nach dem Aushärten sowohl die Fließhilfe selbst als auch die darin ausgehärtete Matrixmenge, sowie eventuell eingelegte Trennfolien und Abreißgewebe, als Abfall anfallen. Da die Fließhilfe zwangsläufig einen hohen Fließwiderstand erzeugt, sind nach wie vor lange Infusionszeiten erforderlich. Zum Beispiel kann bei der Infusion sehr großer Bauteile im Schiffsbau oder von Rotorblättern für Windkraftanlagen die Infusionszeit bis zu eine Stunde pro Meter Fließweg betragen. Im Fahrzeugbau sind bei der Herstellung von Hochleistungsfaserverbundbauteilen Imprägnierzeiten von bis zu einer Stunde erforderlich. Dies macht wiederum Harzsysteme mit entsprechend langen Verarbeitungszeiten erforderlich, die aber auch lange Aushärtezeiten haben. Während bei harzreichen Faserverbundbauteilen bei Verwendung von Harzsystemen mit erhöhter Reaktivität Zykluszeiten von ca. 15 Minuten erreichbar sind, liegen für Hochleistungsfaserverbundbauteile die Zykluszeiten auch bei Warmhärtung immer noch bei mehreren Stunden.
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Für die bekannten In-Mould-Imprägnierverfahren stellt sowohl bei Injektions- als auch bei Infusionsverfahren die Geschwindigkeit der Harzzuführung und der Laminattränkung einen bedeutenden Engpass für die Produktivität des Fertigungsprozesses dar.
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Aus dem Stand der Technik ist kein Fertigungsverfahren für Hochleistungsfaserverbundbauteile bekannt, das in zufriedenstellender Weise eine wirtschaftliche Großserienproduktion im Hinblick auf die Kosten der verwendeten Formwerkzeuge und die erreichbaren Taktzeiten ermöglicht, insbesondere nicht für den Fahrzeugbau.
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Die vorliegende Erfindung hat deshalb die Aufgabe, Herstellungsverfahren für Faserverbundbauteile und entsprechende Formwerkzeuge bereitzustellen, mit denen qualitativ hochwertige Faserverbundbauteile, insbesondere Hochleistungsfaserverbundbauteile, wirtschaftlich hergestellt werden können, insbesondere für die Großserienproduktion, beispielsweise in der Fahrzeugindustrie. Insbesondere sollen durch den Einsatz kostengünstiger Formwerkzeuge und Erreichen sehr geringer Taktzeiten, vorzugsweise von unter 10 Minuten pro Bauteil, insbesondere auch großflächige Bauteile kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden können. Das Herstellungsverfahren soll insbesondere leicht automatisierbar sein. Die Qualität der hergestellten Faserverbundbauteile soll insbesondere mit der Qualität von mit bekannten Autoklav-Verfahren hergestellten Bauteilen vergleichbar sein.
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Diese Aufgabe wird jeweils durch ein Formwerkzeug nach den Ansprüchen 1 und 16 sowie ein Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 20 und 28 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundteils, insbesondere aus FVK-Laminat, das Folgendes umfasst:
- - eine Unterformschale mit einer Formfläche zum Einlegen eines Faserhalbzeugs;
- - eine Oberformschale, die in einem geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs mit der Unterformschale eine Kavität ausbildet,
wobei ein Druck in der Kavität einstellbar ist, um ein eingelegtes Faserhalbzeug mit einem Matrixwerkstoff zu imprägnieren;
- - mindestens eine Druckkammer an der Unterformschale und/oder der Oberformschale,
wobei der Druck in der Druckkammer derart einstellbar ist, dass der Betrag der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Druckkammer und dem Druck in der Kavität geringer ist als der Betrag der Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck des Formwerkzeugs und dem Druck in der Kavität.
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Ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug umfasst insbesondere zwei Formschalen, nämlich eine Oberformschale und eine Unterformschale, und ist öffenbar und schließbar. Das Formwerkzeug kann geöffnet werden, um beispielsweise ein Faserhalbzeug, insbesondere ein vorgeformtes Faserhalbzeug (Preform), mit Verstärkungsfasern in Form von Geweben, Gelegen, Vliesen oder anderen textilen Faserhalbzeugen, insbesondere bestehend aus oder umfassend Kohlenstofffasern, Glasfasern, synthetischen Fasern, mineralischen Fasern, Naturfasern oder ähnlichen Verstärkungsfasern bzw. -rovings, in eine Unterformschale des Formwerkzeugs einzulegen. Ein Faserhalbzeug kann aber auch außerhalb des Formwerkzeugs in eine Unterformschale eingelegt werden und zusammen mit der bestückten Unterformschale in das geöffnete Formwerkzeug eingelegt werden. Das Formwerkzeug kann geschlossen werden, um das eingelegte Faserhalbzeug in der Kavität mit einem Matrixwerkstoff, insbesondere einem Harz, zu imprägnieren, insbesondere in einem In-Mould-Imprägnierverfahren durch Injektion oder Infusion. Unter Injektion kann das Imprägnieren durch Überdruck und unter Infusion das Imprägnieren durch Unterdruck verstanden werden. Insbesondere weist die Kavität eine Zulauföffnung für den Matrixwerkstoff auf. Die Zulauföffnung kann in Gestalt verschiedener Angussformen ausgebildet sein, beispielsweise als ein Punktanguss, ein Linienanguss, ein Ringanguss oder eine Kombination davon, insbesondere mit mehreren Zulauföffnungen, vorzugsweise an verschiedenen Stellen der Kavität. Die Kavität kann im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs eine Kammer mit einheitlichem Druck bilden, oder in mehrere, insbesondere zwei, gegeneinander fluiddicht abgedichtete Kammern, insbesondere zwei Kammern mit räumlich flexibler Ausdehnung innerhalb der Kavität, unterteilt sein, in denen voneinander verschiedene variable Drücke herrschen können. Insbesondere kann die Kavität eine Spaltsteuerkammer und eine Imprägnierkammer umfassen. Der Umgebungsdruck des Formwerkzeugs ist typischerweise der atmosphärische Druck in der unmittelbaren Umgebung des Formwerkzeugs. Sobald das mit dem Matrixwerkstoff durchtränkte Faserhalbzeug ausgehärtet ist, kann es als Faserverbundteil bezeichnet werden.
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Die mindestens eine Druckkammer ist insbesondere derart ausgebildet, dass Kräfte, insbesondere Zug- oder Druckkräfte, auf die Formfläche der Unterformschale reduziert oder ausgeglichen werden. Eine Druckkammer kann gegenüber der Umgebung abdichtbar ausgebildet oder abgedichtet sein. Ein Druck in einer Druckkammer kann durch die Beaufschlagung eines Arbeitsfluids in der Druckkammer mit einem Unterdruck oder einem Überdruck erzeugt werden. Als Arbeitsfluid kann ein Gas, insbesondere Luft, oder eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, Öl oder eine wässrige Lösung, vorgesehen sein. Auch der Einsatz von Thermofluiden ist möglich, um eine Beheizung oder Kühlung des Formwerkzeugs zu realisieren. Vorzugsweise weist eine Druckkammer eine Außenwand auf, die die Druckkammer gegenüber der Umgebung des Formwerkzeugs fluiddicht, insbesondere gasdicht oder flüssigkeitsdicht, vorzugsweise luftdicht, wasserdicht bzw. öldicht, abgrenzt. Insbesondere grenzt eine Druckkammer insofern unmittelbar an eine Formschale an, als die Formschale, oder ein Abschnitt der Formschale, eine Begrenzungswand der Druckkammer bildet. Es ist wäre aber auch möglich, dass eine Druckkammer mit einer Wand an eine Formschale angrenzt, die sich mit geringem Widerstand oder im Wesentlichen widerstandslos an eine Deformation der Formschale anpasst. Eine Druckkammer kann gegenüber der Kavität abdichtbar ausgebildet oder abgedichtet sein, oder druckausgleichend mit der Kavität verbindbar oder verbunden sein. Es kann eine einzige Druckkammer vorgesehen sein, die sowohl von der Unterformschale als auch von der Oberformschale abschnittsweise begrenzt ist.
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Eine Idee der Erfindung ist es, ein Formwerkzeug mit mindestens einer Druckkammer an einer Formschale bereitzustellen, um über eine geeignete Einstellung des Drucks in der Druckkammer die resultierende Kraft auf die Formfläche einer Formschale und dadurch ihre Deformation zu reduzieren. Im Idealfall ist der Druck auf beiden Seiten einer Formschale gleich, sodass die Formschale keine aus einem Differenzdruck resultierende Verformung erfährt. Die Drücke in der Druckkammer und der Kavität sind während des Formprozesses vorzugsweise variabel einstellbar. Insbesondere kann eine Druckdifferenz zwischen der Druckkammer und der Kavität während eines Formprozesses eines Bauteils wiederholt angepasst, insbesondere ständig ausgeregelt werden. Dadurch kann die Deformation der Formschalen reduziert, vorzugsweise vollständig ausgeglichen werden.
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Durch ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug werden einerseits eine bessere Formstabilität des Formwerkzeugs während des Herstellungsprozesses, und dadurch wiederum geringere Fertigungstoleranzen für das Faserverbundbauteil, erreicht. Andererseits behalten auch innerhalb der Kavität für die Imprägnierung vorgesehene Fließspalte für den Matrixwerkstoff, beispielsweise zwischen dem eingelegten Faserhalbzeug und Innenflächen der Kavität, während des Herstellungsprozesses ihre gewünschten Abmessungen, so dass eine Imprägnierung, insbesondere Infusion, schneller, zuverlässiger und gleichmäßiger ablaufen kann. Der Matrixwerkstoff fließt insbesondere entlang des Fließspalts, wobei die Imprägnierung in Dickenrichtung des eingelegten Faserhalbzeugs erfolgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass kostengünstigere, weniger steife, insbesondere einfacher aufgebaute, dünnere oder leichtere Formschalen eingesetzt werden können ohne Fertigungsgenauigkeit einzubüßen, da sich eine Formschale bei einer Beaufschlagung der Kavität mit einem Unter- oder Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck aufgrund einer vorgesehenen Druckkammer gemäß der vorliegenden Erfindung weniger stark verformt, insbesondere durchbiegt, als es ohne eine solche Druckkammer der Fall wäre. Weniger massive Forumsschalen haben den Vorteil einer geringeren Wärmekapazität und lassen sich dadurch schneller aufheizen. Mit dem Formenwerkzeug kann ein hoher Automatisierungsgrad des Fertigungsprozesses erreicht werden. Die Dauer eines Formzyklus eines Bauteils in dem Formenwerkzeug kann reduziert werden, wodurch geringere Taktzeiten für den gesamten Fertigungsprozess eines Bauteils erreicht werden, insbesondere Taktzeiten von weniger als 10 Minuten, vorzugsweise weniger als 6 Minuten. Das Formwerkzeug ist in Kombination mit geeigneten Faserhalbzeugen und Matrixwerkstoffen insbesondere dazu geeignet, Hochleistungsfaserverbundbauteile für den Fahrzeugbau, beispielsweise Seitentüren, Motorhauben oder andere Karosseriebauteile, mit hoher Qualität mit geringen Taktzeiten herzustellen. Das Formenwerkzeug eignet sich insbesondere für Bauteile mit einfachen Geometrien wie Platten oder hinterschnittfreien schwach gekrümmten Geometrien. Es können aber auch Bauteile mit komplexen Geometrien, wie z.B. solche mit starken Krümmungen und Hinterschnitt in entsprechendem Formwerkzeug hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Druckkammer mit mindestens einer Vakuumpumpe oder mindestens einem Verdichter verbunden. Vakuumpumpen bzw. Verdichter können für Gase oder Flüssigkeiten, insbesondere für Luft, Wasser oder Öl, als Arbeitsmedium ausgelegt sein. Mehrere Druckkammern, insbesondere eine obere und eine untere Druckkammer, können an die gleiche Vakuumpumpe oder den gleichen Verdichter angeschlossen oder anschließbar, vorzugsweise über Anschlussstutzen in einer Außenwand der Druckkammer. Es können separate Vakuumpumpen oder Verdichter für verschiedene Druckkammern vorgesehen sein. In der Kavität kann sowohl ein Überdruck, insbesondere für Injektionsverfahren, als auch ein Unterdruck, insbesondere für Infusionsverfahren, gegenüber dem Umgebungsdruck des Formwerkzeugs erzeugt werden. Die Kavität kann mit derselben Vakuumpumpe wie die Druckkammern evakuiert werden, oder durch eine separate Vakuumpumpe. Es können Ventile vorgesehen sein, um verschiedene Drücke in verschiedenen Druckkammern und/oder der Kavität mit derselben Vakuumpumpe oder demselben Verdichter einzustellen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Druckkammer von mindestens 50%, vorzugsweise von mindestens 60%, weiter vorzugsweise von mindestens 70%, weiter vorzugsweise von mindestens 80%, weiter vorzugsweise von mindestens 90% der Außenfläche der Unterformschale bzw. der Oberformschale begrenzt. Insbesondere ist die Druckkammer entlang des gesamten Bereichs der Formfläche von der Außenfläche der Unterformschale bzw. Oberformschale begrenzt. Vorzugsweise überspannt eine Druckkammer den gesamten Bereich innerhalb eines Außenrands einer Formschale, über den die Formschale in dem Formenwerkzeug gelagert ist. Dadurch, dass eine Druckkammer von einem möglichst großen Flächenanteil einer Formschale begrenzt wird, können Deformationen dieser Formschale über einen entsprechend großen Bereich reduziert oder ausgeglichen werden, insbesondere über den gesamten Bereich der Kavität, entlang dem sich ein in die Unterformschale eingelegtes Faserhalbzeug ausdehnt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Formwerkzeug mindestens eine untere Druckkammer, die abschnittsweise von der Außenfläche der Unterformschale begrenzt ist, und mindestens eine obere Druckkammer, die abschnittsweise von der Außenfläche der Oberformschale begrenzt ist, auf. Der Begriff Außenfläche kann in Bezug auf die Formschale verstanden werden, insofern als die Kavität sich auf der Innenseite der Formschalen befindet. Auf diese Weise können Deformationen der Unterformschale und der Oberformschale durch getrennte Druckkammern unabhängig voneinander reduziert oder ausgeglichen werden. Vorzugsweise sind eine einzige obere Druckkammer und eine einzige untere Druckkammer vorgesehen. Prinzipiell wäre auch eine jeweilige Unterteilung in Unterkammern möglich.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Druck in der unteren Druckkammer unabhängig von dem Druck in der oberen Druckkammer einstellbar, insbesondere durch separate Vakuumpumpen und/oder Verdichter. Es können Ventile, insbesondere Regelventile, Sperrventile oder Wegeventile, vorgesehen sein, die derart mit einer Vakuumpumpe oder einem Verdichter schaltbar verbunden sind, dass beide Drücke unabhängig voneinander einstellbar sind. Insbesondere, wenn die Kavität in mehrere Kammern mit verschiedenen Drücken unterteilt ist, ist es vorteilhaft, wenn der Druck in der oberen und unteren Druckkammer unabhängig voneinander einstellbar ist. Je nach Ablauf des Fertigungsprozesses können die Drücke in der oberen und unteren Druckkammer auch zeitlich versetzt zueinander unabhängig einstellbar sein, beispielsweise wenn zuerst die untere Druckkammer und anschließend die obere Druckkammer evakuiert wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist eine Außenwand der unteren Druckkammer und/oder eine Außenwand der oberen Druckkammer eine größere Steifigkeit auf als die Unterformschale bzw. die Oberformschale, insbesondere eine höhere Biegesteifigkeit. Die Außenwände können aus einem anderen Material gefertigt sein als die Formschalen, beispielsweise aus Metall oder Kunststoffen, insbesondere Faserverbundwerkstoffen, während die Formschalen selbst vorzugsweise aus Metall, Kunststoffen, insbesondere faserverstärkten Kunststoffen oder auch aus anderen formbildenden Werkstoffen, wie beispielsweise keramischen oder mineralischen Werkstoffen hergestellt sein können. Vorzugsweise bestehen die Formschalen aus Faserverbundwerkstoffen, vorzugsweise mit Glas und/oder mit Kohlenstofffasergeweben, vorzugsweise in Sandwichbauweise. Die Außenwände können aus anderem oder dem gleichen Material sein und eine größere Wandstärke oder steifere Struktur haben als die Formschalen. Durch die Verwendung von steifen Außenwänden, können diese die mechanischen Belastungen, die aus dem Druck in den Druckkammern resultieren, bei geringer Deformation aufnehmen während die Formschalen weniger steif ausgelegt sein können und somit kostengünstiger herstellbar sind. Außerdem weisen weniger massive Formschalen geringere Wärmekapazitäten auf und sind schnell aufheizbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bilden die untere Druckkammer und die obere Druckkammer ein Untergestell bzw. ein Obergestell des Formwerkzeugs, wobei die Unterformschale und die Oberformschale in dem Untergestell bzw. dem Obergestell, vorzugsweise entnehmbar, gelagert sind. Die Unter- und Oberformschalen können in dem Unter- bzw. Obergestell fixierbar sein, insbesondere mittels Klemmen, Spangen oder Magneten oder anderen maschinenbauüblichen Verbindungselementen. Insbesondere die Unterformschale ist vorzugsweise einfach und schnell lösbar in dem Untergestell fixiert, um sie zügig aus dem Untergestell entnehmen zu können und kurze Taktzeiten zu erreichen. Ein Unter- oder Obergestell kann als ein einseitiger offener Hohlkörper ausgebildet sein, der die Außenwand der Druckkammer bildet, wobei die Unter- bzw. Oberformschale die offene Seite des Hohlkörpers verschließt, insbesondere fluiddicht, d.h. gasdicht oder flüssigkeitsdicht, abdichtet. Insbesondere kann die Unter- bzw. Oberformschale in einen Rahmen des Unter- bzw. Obergestell einlegbar sein. Das Formwerkzeug ist insbesondere zweiteilig aufgebaut. Vorzugsweise ist das Obergestell relativ zum Untergestell beweglich gelagert und kann zum Schließen des Formwerkzeugs auf das Untergestell abgesenkt werden. Im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs bilden das Unter- und Obergestell insbesondere ein nach außen fluiddichtes Gestell des Formenwerkzeugs. Das Unter- und Obergestell können im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs durch Haltemittel, beispielsweise die Ränder der Gestells umgreifende Klemmen oder Spangen, miteinander verbunden sein, insbesondere um die zur Haltekräfte einem Überdruck in der Kavität aufzunehmen. Durch eine Integration der unteren und oberen Druckkammern in ein Unter- bzw. Obergestell ist das Formwerkzeug kompakt aufgebaut.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bildet die untere Druckkammer und/oder die obere Druckkammer einen Auflagerand für die Unterformschale bzw. die Oberformschale, der insbesondere eine Dichtvorrichtung aufweist, die vorzugsweise umlaufend ausgebildet ist. Der Auflagerand kann durch einen, beispielsweise rechteckigen, Rahmen des Untergestells oder Obergestells bzw. der unteren oder oberen Druckkammer ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein umlaufendes Dichtband zwischen einer Druckkammer und einer Formschale angeordnet sein, oder ein Dichtungselement, beispielsweise eine Gummidichtung, in einer umlaufenden Nut in dem Auflagerand angebracht sein. Die Unter- oder Oberformschale kann durch die Fixierung in dem Unter- bzw. Obergestell, beispielsweise durch Klemmen oder Spangen, an eine Dichtvorrichtung angedrückt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Formwerkzeug eine flexible fluidundurchlässige Membran, die zwischen der Unterformschale und der Oberformschale angeordnet ist, wobei die Formfläche der Unterformschale und die Membranunterseite eine Imprägnierkammer zumindest abschnittsweise begrenzen, und die Innenfläche der Oberformschale und die Membranoberseite eine Spaltsteuerkammer zumindest abschnittsweise begrenzen. Unter einer fluidundurchlässigen Membran kann insbesondere eine gas- und/oder flüssigkeitsundurchlässige, vorzugsweise luft-, wasser- und/oder ölundurchlässige Membran verstanden werden. Die Imprägnierkammer hat insbesondere die Funktion, ein eingelegtes Faserhalbzeug mit einem Matrixwerkstoff zu imprägnieren. Deshalb weist sie insbesondere eine Zuführöffnung für einen Matrixwerkstoff, insbesondere ein Harz, auf. Die Spaltsteuerkammer hat insbesondere die Funktion, die Breite eines Fließspalts zwischen der Membranunterseite und einem eingelegten Faserhalbzeug zu steuern, insbesondere den Fließspalt für den Fluss eines Matrixwerkstoffs zu verbreitern bzw. zu verengen oder ihn zu öffnen bzw. zu verschließen. Als Arbeitsfluid in der Spaltsteuerkammer kann ein Gas, insbesondere Luft, oder eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, Öl oder eine wässrige Lösung, vorgesehen sein, während für die Imprägnierkammer vorzugsweise ein Gas, insbesondere Luft, als Arbeitsfluid vorgesehen ist. Insbesondere für die Spaltsteuerkammer kann auch ein Thermofluid vorgesehen sein, um eine Beheizung oder Kühlung des Formwerkzeugs zu realisieren. Vorzugsweise ist für die Spaltsteuerkammer und die Imprägnierkammer Luft als Arbeitsfluid vorgesehen. Insbesondere sind die Imprägnierkammer und die Spaltsteuerkammer innerhalb der Kavität ausgebildet, wobei sie die Kavität in zwei zeitlich variable Räume mit der flexiblen Membran als Grenzfläche unterteilen. Vorzugsweise ist ein Fließspalt über einen Differenzdruck zwischen der Imprägnierkammer und der Spaltsteuerkammer steuerbar, wobei der Differenzdruck bewirkt, dass sich die Membran anhebt oder absenkt, insbesondere an die Oberfläche des eingelegten Faserhalbzeugs oder an die Innenseite der Oberformschale anlegt. Die fluidundurchlässige, vorzugsweise gasundurchlässige, Membran, insbesondere Vakuummembran, kann von einem Vakuumrahmen gehalten sein bzw. von diesem aufgespannt sein. Ein Formwerkzeug mit einer Imprägnier- und einer Spaltsteuerkammer hat den Vorteil, dass auf eine Fließhilfe, die zwischen das eingelegte Faserhalbzeug und die Membran gelegt wird, um die Membran bei Erzeugung eines Unterdrucks auf Abstand zu halten, verzichtet werden kann. Dadurch wird einerseits die Fließhilfe selbst als Abfallprodukt eingespart, andererseits aber auch der Anteil der Matrix, der die Hohlräume in der Fließhilfe auffüllt und als Abfallprodukt anfällt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Form der Innenfläche der Oberformschale und die Form der Formfläche der Unterformschale derart aufeinander angepasst, dass die Kavität im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs spaltförmig ausgebildet ist. Eine spaltförmige Kavität kann insbesondere so ausgebildet sein, dass sich ein Fließspalt mit einer gleichmäßigen Breite, insbesondere einer annähernd konstanten Breite ausbildet. Dadurch wird eine möglichst gleichmäßige Fließgeschwindigkeit des Matrixwerkstoffs in dem Fließspalt erreicht. Insbesondere bei Bauteilen mit starken Krümmungen oder Hinterschnitt ist es vorteilhaft, wenn auch an Stellen großer Krümmung sowie an Stellen mit steilen Formflächen, die einen kleinen Winkel zur Formöffnungsrichtung aufweisen, des eingelegten Faserhalbzeugs ein ausreichend großer Freiraum zwischen der Oberformschale und der Unterformschale verbleibt, damit der Matrixwerkstoff zu allen Bereichen des Faserhalbzeugs möglichst ungehindert vordringen kann. Insbesondere für großflächige Bauteile, wie beispielsweise in der Fahrzeugindustrie, ist aufgrund der weiten Fließwege ein an ausreichend breiter Fließspalt über die gesamte Oberfläche des Faserhalbzeugs für eine geringe Imprägnierzeit, insbesondere Infusionszeit, wichtig.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Membranunterseite und einem eingelegten Faserhalbzeug ein Imprägierspalt durchgängig entlang der Membranunterseite ausbildbar, vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Spaltbreite. Vorzugsweise erstreckt sich der Fließspalt entlang der gesamten Oberfläche des eingelegten Faserhalbzeugs mit einer annähernd konstanten Breite. Eine konstante Spaltbreite ist aber nicht so zu verstehen, dass keinerlei Variationen der Breite des Spalts zugelassen sind. Insbesondere könnte die Spaltbreite in geringem Maß lokal kontinuierlich variiert werden, um z.B. einen besseren Harzfluss in bestimmten Bauteilbereichen zu erzielen. Insbesondere kann eine geringe Variation der Spaltbreite durch eine Variation der Laminatwandstärke innerhalb des zu formenden Bauteils bedingt sein. Zum Beispiel benötigen Bauteile mit einem lokal dickeren Faseraufbau für eine größere Wandstärke an dieser Stelle der Form auch eine größere Menge Matrixwerkstoff, so dass dort lokal eine lokal erweiterte Spaltbreite vorzusehen ist. Vorzugsweise weist der Fließspalt abgesehen von üblichen Toleranzen aber keine starken oder sprunghaften lokalen Querschnittsverengungen oder - verbreiterungen, insbesondere in Form von Fließkanälen, auf. Insbesondere variiert die Spaltbreite lokal nicht mehr als um die Spaltbreite, vorzugsweise um weniger als 75% der Spaltbreite, weiter vorzugsweise um weniger als 50% der Spaltbreite. Vorzugsweise weist der Fließspalt eine Spaltbreite auf, die bis ca. 50% der designierten Bauteilwandstärke beträgt, insbesondere eine Spaltbreite, die 1 bis 3 mm, weiter vorzugsweise 1 bis 2 mm, weiter vorzugsweise ungefähr 1,5 mm mehr als die Dicke des eingelegten Faserhalbzeugs beträgt, wenn die Membran an der Innenfläche der Oberformschale anliegt. Auf diese Weise kann ein Matrixwerkstoff möglichst ungehindert, insbesondere in zwei Richtungen, entlang der Oberfläche des eingelegten Faserhalbzeugs fließen. Durch eine entsprechend erzielte Reduktion des Fließwiderstands kann die Imprägnierzeit, insbesondere die Infusionszeit, des Faserhalbzeugs erheblich reduziert werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der oben Druckkammer und der Spaltsteuerkammer und/oder zwischen der unteren Druckkammer und der Imprägnierkammer eine Druckausgleichsverbindung vorgesehen. Eine Druckausgleichsverbindung kann in Form eines Kanals innerhalb des Formenwerkzeugs, vorzugsweise als eine Durchgangsöffnung in der Oberformschale bzw. der Unterformschale, oder als ein Bypasskanal um eine Formschale herum ausgebildet sein. Es können auch Druckausgleichsleitungen, beispielsweise Rohrleitungen vorgesehen sein. Eine Druckausgleichsverbindung kann abdichtbar oder verschließbar, insbesondere mittels eines Ventils blockierbar sein. Eine Druckausgleichsverbindung hat den Vorteil, dass sich in konstruktiv einfacher Weise der Druck in zwei miteinander verbundenen Kammern automatisch ausgleicht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Formwerkzeug eine Druckregelungseinrichtung, durch die eine Druckdifferenz zwischen der Imprägnierkammer und der Spaltsteuerkammer, insbesondere variabel, einstellbar ist. Eine Druckregelungseinrichtung kann z.B. Vakuumpumpen, Verdichter, Ventile, Drucksensoren und Anzeigevorrichtungen umfassen. Vakuumpumpen bzw. Verdichter können für Gase oder Flüssigkeiten, insbesondere für Luft, Wasser oder Öl, als Arbeitsmedium ausgelegt sein. Die Druckregelungseinrichtung regelt insbesondere auch die Vakuumpumpen oder Verdichter, an die die untere und die obere Druckkammer angeschlossen sind. Insbesondere regelt die Druckregelungseinrichtung, einen Differenzdruck zwischen der Spaltsteuerkammer und der Imprägnierkammer derart, dass über die Regelung des Differenzdrucks die Breite des Fließspalts steuerbar ist. Beispielsweise wird der Differenzdruck so geregelt, dass während einer Infusion des Matrixwerkstoffs in der Spaltsteuerkammer ein niedrigerer Druck herrscht als in der Imprägnierkammer. Der Differenzdruck könnte aber auch umgekehrt eingestellt werden, beispielsweise um gegen Ende des Infusionsprozesses durch ein Andrücken der Membran an die Oberfläche eines Faserhalbzeugs überflüssigen Matrixwerkstoff aus der Imprägnierkammer zu verdrängen und/oder eine glatte Bauteiloberfläche zu erzeugen. Die Druckdifferenz wird insbesondere so geregelt, dass sie weniger als 100 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 50 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 25 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 20 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 15 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 10 mbar, weiter vorzugsweise einige Millibar, weiter vorzugsweise in etwa 5 mbar beträgt. Ein solcher Differenzdruck ist insbesondere ausreichend, um die Membran entgegen ihrem Eigengewicht anzuheben.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Formwerkzeug mindestens einen Drucksensor, der Druckdaten der unteren Druckkammer und/oder oberen Druckkammer und/oder der Kavität und/oder der Imprägnierkammer und/oder der Spaltsteuerkammer erfasst. Ein Drucksensor ist beispielsweise in die Wand einer Kammer eingesetzt oder an der Innenwand einer Kammer angebracht. Im Falle einer Druckverbindung zwischen der oberen Druckkammer und der Spaltsteuerkammer bzw. der unteren Druckkammer und der Imprägnierkammer können Drucksensoren jeweils auch nur in einer der beiden verbundenen Kammern vorgesehen sein. Die Drucksensoren sind insbesondere mit der Druckregelungseinrichtung signalleitend verbunden, könnten Druckdaten aber auch drahtlos an die Druckregelungseinrichtung übertragen. Durch eine automatische und genaue Erfassung der verschiedenen Drücke innerhalb des Formwerkzeugs durch Drucksensoren kann eine Deformation der Formschalen möglichst schnell und präzise ausgeregelt und einfach überwacht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Formwerkzeug mindestens einen Deformationssensor, der Deformationsdaten der Unterformschale und/oder der Oberformschale erfasst, wobei der Deformationssensor insbesondere mit einer Deformationsregelungseinrichtung verbunden ist, die dazu ausgelegt ist, auf Grundlage der erfassten Deformationsdaten eine Deformation der Unterformschale und/oder der Oberformschale pneumatisch auszugleichen. Ein Deformationssensor ist beispielsweise ein Extensometer, ein Dehnmesstreifen, der insbesondere auf der Außenfläche einer Oberformschale angebracht ist, oder ein Abstandssensor, der insbesondere innerhalb der untern oder oberen Druckkammer angeordnet ist und beispielsweise den Abstand zu einem Referenzpunkt auf der Außenfläche der Oberformschale erfasst. Die Deformationsregelungseinrichtung kann mit der Druckregelungseinrichtung verbunden sein, um aufgrund von erfassten Deformationen Solldruckwerte zu bestimmen, insbesondere zu berechnen, und anzupassen, so dass eine entsprechende Regelung eines Drucks die Deformation ausgleicht. Insbesondere kann die Druckregelungseinrichtung in die Deformationsregelungseinrichtung integriert sein oder umgekehrt. Durch eine Deformationsregelungseinrichtung wird sichergestellt, dass die Deformation der Oberformschale idealerweise zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen werden kann und sich nicht in der Form des Bauteils abbildet.
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Die Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch ein Formwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundteils, insbesondere aus FVK-Laminat, das Folgendes umfasst:
- - eine Unterformschale mit einer Formfläche zum Einlegen eines Faserhalbzeugs;
- - eine Oberformschale, die in einem geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs mit der Unterformschale eine Kavität ausbildet,
wobei ein Druck in der Kavität einstellbar ist, um ein eingelegtes Faserhalbzeug mit einem Matrixwerkstoff zu imprägnieren;
- - eine flexible fluidundurchlässige Membran umfasst, die zwischen der Unterformschale und der Oberformschale angeordnet ist,
wobei die Formfläche der Unterformschale und die Membranunterseite eine Imprägnierkammer zumindest abschnittsweise begrenzen,
die Innenfläche der Oberformschale und die Membranoberseite eine Spaltsteuerkammer zumindest abschnittsweise begrenzen,
die Form der Innenfläche der Oberformschale und die Form der Formfläche der Unterformschale derart aufeinander angepasst sind, dass die Kavität im geschlossenen Zustand des Formwerkzeugs spaltförmig ausgebildet ist und
zwischen der Membranunterseite und einem eingelegten Faserhalbzeug ein Imprägnierspalt durchgängig entlang der Membranunterseite ausbildbar ist, vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Spaltbreite.
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Eine Idee der Erfindung ist es, ein Formwerkzeug mit einer Spaltsteuerkammer und einer Imprägnierkammer bereitzustellen, das einen steuerbaren Fließspalt für einen Matrixwerkstoff zwischen dem eingelegten Faserhalbzeugs und der Oberformschale bildet. Die Imprägnierkammer hat insbesondere die Funktion, ein eingelegtes Faserhalbzeug mit einem Matrixwerkstoff zu imprägnieren. Deshalb weist sie insbesondere eine Zuführöffnung für einen Matrixwerkstoff, insbesondere ein Harz, auf. Die Spaltsteuerkammer hat insbesondere die Funktion, die Breite eines Fließspalts zwischen der Membranunterseite und einem eingelegten Faserhalbzeug zu steuern, insbesondere den Fließspalt für den Fluss eines Matrixwerkstoffs zu verbreitern bzw. zu verengen oder ihn zu öffnen bzw. zu verschließen. Als Arbeitsfluid in der Spaltsteuerkammer kann ein Gas, insbesondere Luft, oder eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, Öl oder eine wässrige Lösung, vorgesehen sein, während für die Imprägnierkammer vorzugsweise ein Gas, insbesondere Luft, als Arbeitsfluid vorgesehen ist. Vorzugsweise ist für die Spaltsteuerkammer und die Imprägnierkammer Luft als Arbeitsfluid vorgesehen. Die Membran ist vorzugsweise gasundurchlässig, vorzugsweise luftundurchlässig. Insbesondere sind die Imprägnierkammer und die Spaltsteuerkammer innerhalb der Kavität ausgebildet, wobei sie die Kavität in zwei zeitlich variable Räume mit der flexiblen Membran als Grenzfläche unterteilen. Vorzugsweise ist ein Fließspalt über einen Differenzdruck zwischen der Imprägnierkammer und der Spaltsteuerkammer steuerbar, wobei der Differenzdruck bewirkt, dass sich die Membran anhebt oder absenkt, insbesondere an die Oberfläche des eingelegten Faserhalbzeugs oder an die Innenseite der Oberformschale anlegt. Ein Formwerkzeug mit einer Imprägnier- und einer Spaltsteuerkammer hat den Vorteil, dass auf eine Fließhilfe, die zwischen das eingelegte Faserhalbzeug und die Membran gelegt wird, um die Membran bei Erzeugung eines Unterdrucks auf Abstand zu halten, verzichtet werden kann. Dadurch wird einerseits die Fließhilfe selbst als Abfallprodukt eingespart, andererseits aber auch der Anteil der Matrix, der die Hohlräume in der Fließhilfe auffüllt und als Abfallprodukt anfällt.
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Eine spaltförmige Kavität kann insbesondere so ausgebildet sein, dass sich ein Fließspalt mit einer gleichmäßigen Breite, insbesondere einer annähernd konstanten Breite ausbildet. Dadurch wird eine möglichst gleichmäßige Fließgeschwindigkeit des Matrixwerkstoffs in dem Fließspalt erreicht. Insbesondere bei Bauteilen mit starken Krümmungen oder Hinterschnitt ist es vorteilhaft, wenn auch an Stellen großer Krümmung des eingelegten Faserhalbzeugs ein ausreichend großer Freiraum zwischen der Oberformschale und der Unterformschale verbleibt, damit der Matrixwerkstoff zu allen Bereichen des Faserhalbzeugs möglichst ungehindert vordringen kann.
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In einer Ausführungsform sind die Unterformschale und/oder die Oberformschale im Wesentlichen starr ausgeführt, zumindest insofern starr, als sie sich bei dem in der Kavität einstellbaren Druck nicht Wesentlich verformen. Vorzugsweise sind die Unterformschale und/oder die Oberformschale massiv ausgeführt, insbesondere aus Metall.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Fließspalt entlang der gesamten Oberfläche des eingelegten Faserhalbzeugs mit einer annähernd konstanten Breite. Eine konstante Spaltbreite ist aber nicht so zu verstehen, dass keinerlei Variationen der Breite des Spalts zugelassen sind. Insbesondere könnte die Spaltbreite in geringem Maß lokal kontinuierlich variiert werden, um z.B. einen besseren Harzfluss in bestimmten Bauteilbereichen zu erzielen. Insbesondere kann eine geringe Variation der Spaltbreite durch eine Variation der Laminatwandstärke innerhalb des zu formenden Bauteils bedingt sein. Zum Beispiel benötigen Bauteile mit einem lokal dickeren Faseraufbau für eine größere Wandstärke an dieser Stelle der Form auch eine größere Menge Matrixwerkstoff, so dass dort lokal eine lokal erweiterte Spaltbreite vorzusehen ist. Vorzugsweise weist der Fließspalt abgesehen von üblichen Toleranzen aber keine starken oder sprunghaften lokalen Querschnittsverengungen oder -verbreiterungen, insbesondere in Form von Fließkanälen auf. Insbesondere variiert die Spaltbreite lokal nicht mehr als um die Spaltbreite, vorzugsweise um weniger als 75% der Spaltbreite, weiter vorzugsweise um weniger als 50% der Spaltbreite. Vorzugsweise weist der Fließspalt eine Spaltbreite auf, die bis ca. 50% der designierten Bauteilwandstärke, weiter vorzugsweise 1 bis 3 mm, weiter vorzugsweise 1 bis 2 mm, weiter vorzugsweise ungefähr 1,5 mm mehr als die Dicke des eingelegten Faserhalbzeugs beträgt, wenn die Membran an der Innenfläche der Oberformschale anliegt. Auf diese Weise kann ein Matrixwerkstoff möglichst ungehindert, insbesondere in zwei Richtungen, entlang der Oberfläche des eingelegten Faserhalbzeugs fließen. Durch eine entsprechend erzielte Reduktion des Fließwiderstands kann die Imprägnierzeit, insbesondere die Infusionszeit, des Faserhalbzeugs erheblich reduziert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Spaltsteuerkammer und die Imprägnierkammer mit mindestens einer Vakuumpumpe oder mindestens einem Verdichter verbunden, insbesondere mit separaten Vakuumpumpen oder Verdichtern. Vakuumpumpen bzw. Verdichter können für Gase oder Flüssigkeiten, insbesondere für Luft, Wasser oder Öl, als Arbeitsmedium ausgelegt sein. In der Imprägnierkammer kann ein Überdruck, insbesondere für Injektionsverfahren, oder ein Unterdruck, insbesondere für Infusionsverfahren, erzeugt werden. Es können Ventile, insbesondere Regelventile, Sperrventile oder Wegeventile, vorgesehen sein, die derart mit einer Vakuumpumpe oder einem Verdichter schaltbar verbunden sind, dass der Druck in der Spaltsteuerkammer und der Druck in der Imprägnierkammer unabhängig voneinander einstellbar sind. Die Drücke können auch zeitlich versetzt zueinander unabhängig einstellbar sein, beispielsweise wenn zuerst die Imprägnierkammer evakuiert wird und anschließend die Spaltsteuerkammer so evakuiert wird, dass in ihr ein geringerer Druck als in der Imprägnierkammer herrscht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Formwerkzeug eine Druckregelungseinrichtung, durch die eine Druckdifferenz zwischen der Imprägnierkammer und der Spaltsteuerkammer, insbesondere variabel, einstellbar ist. Eine Druckregelungseinrichtung kann z.B. Vakuumpumpen, Verdichter, Ventile, Drucksensoren und Anzeigevorrichtungen umfassen. Insbesondere regelt die Druckregelungseinrichtung, einen Differenzdruck zwischen der Spaltsteuerkammer und der Imprägnierkammer derart, dass über die Regelung des Differenzdrucks die Breite des Fließspalts steuerbar ist. Beispielsweise wird der Differenzdruck so geregelt, dass während einer Infusion des Matrixwerkstoffs in der Spaltsteuerkammer ein niedrigerer Druck herrscht als in der Imprägnierkammer. Der Differenzdruck könnte aber auch umgekehrt eingestellt werden, beispielsweise um gegen Ende des Infusionsprozesses durch ein Andrücken der Membran an die Oberfläche eines Faserhalbzeugs überflüssigen Matrixwerkstoff aus der Imprägnierkammer zu verdrängen und/oder eine glatte Bauteiloberfläche zu erzeugen. Die Druckdifferenz wird insbesondere so geregelt, dass sie weniger als 100 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 50 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 25 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 20 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 15 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 10 mbar, weiter vorzugsweise einige Millibar, weiter vorzugsweise in etwa 5 mbar beträgt. Ein solcher Differenzdruck ist insbesondere ausreichend, um die Membran entgegen ihrem Eigengewicht anzuheben.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Formwerkzeug mindestens einen Drucksensor, der Druckdaten der Imprägnierkammer und/oder der Spaltsteuerkammer erfasst, wobei der Drucksensor insbesondere mit der Druckregelungseinrichtung verbunden ist. Ein Drucksensor ist beispielsweise in die Wand der Imprägnierkammer oder der Spaltsteuerkammer, insbesondere einen Rand einer Formschale, eingesetzt oder an deren Innenseite angebracht. Die Drucksensoren sind insbesondere mit der Druckregelungseinrichtung signalleitend verbunden, könnten Druckdaten aber auch drahtlos an die Druckregelungseinrichtung übertragen. Durch eine automatische und genaue Erfassung der Drücke innerhalb des Formwerkzeugs durch Drucksensoren kann der Differenzdruck zwischen der Imprägnierkammer und der Spaltsteuerkammer geregelt und einfach überwacht werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundteils, insbesondere aus FVK-Laminat, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Formwerkzeug, umfassend folgende Schritte:
- - Einlegen eines Faserhalbzeugs, insbesondere eines Preforms, in eine Unterformschale;
- - Schließen eines Formwerkzeugs, wobei sich zwischen der Unterformschale und einer Oberformschale des Formwerkzeugs eine Kavität bildet;
- - Einstellen eines Drucks in der Kavität, um das eingelegte Faserhalbzeug mit einem Matrixwerkstoff zu imprägnieren, und, vorzugsweise gleichzeitig,
- - Einstellen des Drucks in mindestens einer Druckkammer derart, dass der Betrag der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Druckkammer und dem Druck in der Kavität geringer ist als der Betrag der Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck des Formwerkzeugs und dem Druck in der Kavität,
wobei die mindestens eine Druckkammer an der Unterformschale und/oder der Oberformschale angeordnet ist;
- - Zuführen eines Matrixwerkstoffs in die Kavität zur Imprägnierung des eingelegten Faserhalbzeugs;
- - Entformen des gehärteten Faserverbundteils.
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In der Kavität kann ein Unterdruck, insbesondere für Infusionsverfahren, oder ein Überdruck, insbesondere für Injektionsverfahren, gegenüber dem Umgebungsdruck des Formwerkzeugs durch eine Vakuumpumpe bzw. einen Verdichter eingestellt werden, insbesondere durch eine Druckregelungvorrichtung. Es könnte zuerst der Druck in der Kavität eingestellt werden und erst danach der Druck in einer Druckkammer eingestellt, insbesondere angeglichen, werden. Der Druck in der Druckkammer kann über die Zeit variiert werden. Insbesondere wird die Kavität auf einen Absolutdruck von bis zu 10-15 mbar evakuiert, insbesondere bei der Verwendung von Epoxidharzsystemen. Insbesondere ist der Betrag der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Druckkammer und dem Druck in der Kavität geringer als 1 bar, vorzugsweise geringer als 500 mbar, weiter vorzugsweise geringer als 100 mbar, weiter vorzugsweise geringer als 50 mbar, weiter vorzugsweise geringer als 25 mbar, weiter vorzugsweise geringer als 20 mbar, weiter vorzugsweise geringer als 15 mbar, weiter vorzugsweise geringer als 10 mbar, weiter vorzugsweise einige Millibar, weiter vorzugsweise in etwa 5 mbar. Vorzugsweise wird als Matrixwerkstoff ein schnell härtendes Kunstharzsystem, beispielsweise ein Epoxidharz, ein Polyesterharz- oder auch ein Polyurethanharzsystem, zugeführt. Ebenfalls sind als Matrixwerkstoff Bioharze oder auch mineralische Matrixwerkstoffe wie Beton einsetzbar wie auch alle anderen Matrixwerkstoffe, die während der Verarbeitung flüssig und in der Lage sind, die Verstärkungsfasern zu durchtränken.
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Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass eine Deformation der Oberformschale und/oder der Unterformschale reduziert oder sogar ausgeglichen werden kann. Dadurch verformt sich auch das Bauteil während des Herstellungsprozesses in dem Formenwerkzeug nur in geringerem Ausmaß oder gar nicht. Außerdem können kostengünstigere, weniger steife, insbesondere einfacher aufgebaute, dünnere oder leichtere Formschalen eingesetzt werden, ohne Fertigungsgenauigkeit einzubüßen. Weniger massive Forumsschalen haben den Vorteil einer geringeren Wärmekapazität und lassen sich dadurch schneller aufheizen. Das Herstellungsverfahren ist gut automatisierbar. Die Dauer eines Formzyklus eines Bauteils kann reduziert werden, wodurch geringere Taktzeiten für den gesamten Fertigungsprozess eines Bauteils erreicht werden, insbesondere Taktzeiten von weniger als 10 Minuten, vorzugsweise weniger als 6 Minuten. Das Herstellungsverfahren ist bei Verwendung geeigneter Faserhalbzeuge und Matrixwerkstoffe insbesondere dazu geeignet, Hochleistungsfaserverbundbauteile für den Fahrzeugbau, beispielsweise Seitentüren, Motorhauben oder andere Karosseriebauteile, mit hoher Qualität mit geringen Taktzeiten herzustellen. Das Herstellungsverfahren eignet sich insbesondere für Bauteile mit einfachen Geometrien wie Platten oder hinterschnittfreien schwach gekrümmten Geometrien. Es können aber auch Bauteile mit komplexen Geometrien, wie z.B. solche mit starken Krümmungen und Hinterschnitt in entsprechendem Formwerkzeug hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Angleichen des Drucks in einer unteren Druckkammer, die abschnittsweise von der Außenfläche der Unterformschale begrenzt wird, und/oder des Drucks in einer oberen Druckkammer, die abschnittsweise von der Außenfläche der Oberformschale begrenzt wird, an den Druck in der Kavität, um eine Deformation der Unterformschale bzw. der Oberformschale auszugleichen. Durch ein Angleichen der Drücke auf beiden Seiten einer Oberformschale werden die resultierenden Kräfte auf die Formschale reduziert. Im Idealfall eines beidseitig gleichen Drucks wirken keine Kräfte aus einer Druckdifferenz auf die Formschale. Dadurch wird eine Deformation der Oberformschale reduziert bzw. annähernd vollständig ausgeglichen und die Formgenauigkeit des Bauteils erhöht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Anordnen einer flexiblen fluidundurchlässigen Membran zwischen der Unterformschale und der Oberformschale und Einstellen einer Druckdifferenz zwischen einer Imprägnierkammer und einer Spaltsteuerkammer, um einen Fließspalt zwischen der Membranunterseite und dem eingelegten Faserhalbzeug auszubilden, insbesondere durchgängig entlang der Membranunterseite, vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Spaltbreite, wobei die Imprägnierkammer zumindest abschnittsweise durch eine Formfläche der Unterformschale und die Membranunterseite begrenzt wird und die Spaltsteuerkammer zumindest abschnittsweise durch eine Innenfläche der Oberformschale und die Membranoberseite begrenzt wird. Die fluidundurchlässige, insbesondere gasundurchlässige, Membran, insbesondere Vakuummembran, kann von einem Vakuumrahmen gehalten sein bzw. von diesem aufgespannt werden. Die Druckdifferenz zwischen der Imprägnierkammer und der Spaltsteuerkammer beträgt vorzugsweise weniger als 100 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 50 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 25 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 20 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 15 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 10 mbar, weiter vorzugsweise einige Millibar, weiter vorzugsweise in etwa 5 mbar. Insbesondere ist die Druckdifferenz ausreichend groß, um die Membran anzuheben und einen Fließspalt zu erzeugen. Vorzugsweise ist der Druck in der oberen Druckkammer gleich dem Druck in der Spaltsteuerkammer und der Druck in der unteren Druckkammer gleich dem Druck in der Imprägnierkammer. Ein solches Verfahren hat den Vorteil, dass eine Deformation der Formschalen ausgeglichen werden kann und sich deshalb die Abmessungen der insbesondere spaltförmigen Kavität auch bei einer Druckbeaufschlagung der Kavität im Wesentlichen nicht ändern. Dadurch bleibt ein gleichmäßiger Fließspalt erhalten, so dass der Matrixwerkstoff möglichst ungehindert und schnell in die Imprägnierkammer fließen kann, um das Faserhalbzeug zu imprägnieren, insbesondere zu infusieren. Dadurch wird die Imprägnierzeit, insbesondere Infusionszeit, reduziert. Eine zusätzliche Fließhilfe und der die Fließhilfe ausfüllende Matrixanteil werden als Abfallprodukte vermieden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Einlegen des Faserhalbzeugs in eine Unterformschale außerhalb des Formenwerkzeugs; ein Auflegen der Membran auf die Unterformschale; und ein Einsetzen der mit dem Faserhalbzeug bestückten Unterformschale in ein Untergestell des Formenwerkzeugs. Dieser vorbereitende Verfahrensschritt wird insbesondere durchgeführt, während eine weitere zuvor vorbereitete Unterformschale sich zum Imprägnieren und Aushärten eines Faserhalbzeugs bereits in einem in einem Formwerkzeug befindet. Es kann ein zusätzlicher Schritt zum Auftragen eines Trennmittels vorgesehen sein. Durch einen vorgeschalteten Fertigungsschritt außerhalb des Formenwerkzeugs kann die Taktzeit des gesamten Herstellungsprozesses reduziert werden. Insbesondere werden mehrere Unterformschalen, vorzugsweise mindestens vier Unterformschalen, bereitgestellt, um vorzugsweise eine Taktzeit von weniger als 6 Minuten zu erzielen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Evakuieren der Imprägnierkammer der mit dem Faserhalbzeug bestückten Unterformschale außerhalb des Formenwerkzeugs. Insbesondere wird die bestückte Unterformschale in das geöffnete Formwerkzeug eingesetzt, das Formwerkzeug geschlossen und die Spaltsteuerkammer so weit unter den Druck der Imprägnierkammer evakuiert, dass sich die Membran anhebt, um einen Fließspalt für den zu infusierenden Matrixwerkstoff zu bilden. Auf diese Weise kann zusätzlich Zeit eingespart und die Taktzeit reduziert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Vorheizen der Unterformschale außerhalb des Formenwerkzeugs, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 40°C und 80°C, vorzugsweise zwischen 50°C und 70°C, weiter vorzugsweise auf ungefähr 60°C. Bei diesen Temperaturen ist der Matrixwerkstoff, insbesondere ein schnell härtendes Harzsystem, sehr dünnflüssig, so dass sich beispielsweise Fahrzeugbauteile bei einem Fließspalt von ca. 1,5 mm in weniger als 1 Minute vollständig infusieren lassen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Aufheizen der bestückten Unterformschale zur Aushärtung des mit dem Matrixwerkstoff imprägnierten Faserhalbzeugs, insbesondere ungefähr zwei Minuten lang auf vorzugsweise 70°C bis 80°C, ein Halten der bestückten Unterformschale zum Durchhärten, insbesondere ungefähr 1,5 Minuten lang, in dem Formenwerkzeug, ein Öffnen des Formenwerkzeugs, und ein Entnehmen der Unterformschale mit dem fertigen Faserverbundteil zur Abkühlung, vorzugsweise in der Unterformschale. Insbesondere wird das Bauteil über elektrisch beheizbare Formschalen, die vorzugsweise ein Widerstandsheizelement enthalten, aufgeheizt, wobei die Aufheizrate beispielsweise 10 K/min beträgt. Insbesondere verweilt das Bauteil noch einige Minuten außerhalb des Formenwerkzeugs in der Unterformschale, damit bei langsamer Abkühlung in der Unterformschale ein Bauteilverzug vermieden wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Herstellen eines Faserverbundteils mit einer Taktzeit von weniger als 10 Minuten, vorzugsweise weniger als 8 Minuten, weiter vorzugsweise weniger als 6 Minuten durchgeführt. Insbesondere dauern das Einlegen der Unterformschale, Schließen der Form sowie die anschließende Infusion ca. 1,5 Minuten. Das imprägnierte Bauteil wird vorzugsweise 1 Minute lang aufgeheizt, bis es beginnt schlagartig auszuhärten, wobei insbesondere nach einer weiteren Minute die Beheizung der Formschalen abgestellt wird. Insbesondere nach einer Haltezeit von 1,5 Minuten ist das Faserverbundteil soweit durchgehärtet, dass das Formenwerkzeug geöffnet und das Bauteil entnommen werden kann. Beispielsweise vergeht somit vom Einlegen der Unterformschale über deren Entnahme aus dem Formenwerkzeug bis zum Einlegen der nächsten Unterformschale eine Zeitspanne von weniger als 6 Minuten. Dadurch ist das Herstellungsverfahren für die Großserienproduktion, insbesondere in der Fahrzeugindustrie, wirtschaftlich attraktiv.
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Die Aufgabe wird weiterhin insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundteils, insbesondere aus FVK-Laminat, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Formwerkzeug, umfassend folgende Schritte:
- - Einlegen eines Faserhalbzeugs, insbesondere eines Preforms, in eine Unterformschale;
- - Anordnen einer flexiblen fluidundurchlässigen Membran zwischen der Unterformschale und der Oberformschale und
- - Schließen des Formwerkzeugs, wobei sich zwischen der Unterformschale und einer Oberformschale des Formwerkzeugs eine Kavität bildet;
- - Einstellen eines Drucks in der Kavität, um das eingelegte Faserhalbzeug mit einem Matrixwerkstoff zu imprägnieren, und, vorzugsweise gleichzeitig,
- - Einstellen einer Druckdifferenz zwischen einer Imprägnierkammer und einer Spaltsteuerkammer, um einen Fließspalt zwischen der Membranunterseite und dem eingelegten Faserhalbzeug auszubilden, insbesondere durchgängig entlang der Membranunterseite, vorzugsweise mit einer im Wesentlichen konstanten Spaltbreite,
wobei die Imprägnierkammer zumindest abschnittsweise durch eine Formfläche der Unterformschale und die Membranunterseite begrenzt wird und
die Spaltsteuerkammer zumindest abschnittsweise durch eine Innenfläche der Oberformschale und die Membranoberseite begrenzt wird.
- - Zuführen eines Matrixwerkstoffs, in die Kavität zur Imprägnierung, insbesondere Infusion, des eingelegten Faserhalbzeugs;
- - Entformen des gehärteten Faserverbundteils.
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Eine Idee der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, das einen Fließspalt für einen Matrixwerkstoff zwischen dem eingelegten Faserhalbzeugs und der Oberformschale einen Formwerkzeugs steuerbar macht. In der Spaltsteuerkammer wird insbesondere ein eingelegtes Faserhalbzeug mit einem Matrixwerkstoff imprägniert. Insbesondere wird der Imprägnierkammer ein Matrixwerkstoff, insbesondere ein schnell härtendes Harzsystem zugeführt. Die Imprägnierkammer und die Spaltsteuerkammer sind jeweils mit einem Arbeitsfluid, vorzugsweise mit Luft, gefüllt, das mit einem Überdruck oder Unterdruck beaufschlagbar ist. Insbesondere die Spaltsteuerkammer könnte aber auch mit einer Flüssigkeit gefüllt sein, vorzugsweise mit Wasser oder Öl. Es könnten also verschiedene Fluide für die Imprägnierkammer und die Spaltsteuerkammer vorgesehen sein. Die Membran ist insbesondere undurchlässig für die jeweiligen Arbeitsfluide in beiden Kammern. Insbesondere wird das Arbeitsfluid in der Imprägnierkammer während der Infusion von dem Matrixwerkstoff verdrängt bzw. abgesaugt. Insbesondere wird die Breite eines Fließspalts zwischen der Membranunterseite und einem eingelegten Faserhalbzeug durch die Spaltsteuerkammer gesteuert. Insbesondere wird ein Fließspalt für den Fluss eines Matrixwerkstoffs verbreitert bzw. verengt oder geöffnet bzw. verschlossen. Vorzugsweise ist ein Fließspalt über einen Differenzdruck zwischen der Imprägnierkammer und der Spaltsteuerkammer steuerbar, wobei der Differenzdruck bewirkt, dass sich die Membran anhebt oder absenkt, insbesondere an die Oberfläche des eingelegten Faserhalbzeugs oder an die Innenseite der Oberformschale anlegt. Ein Herstellungsverfahren, das eine Druckdifferenz zwischen einer Imprägnierkammer und einer Spaltsteuerkammer einstellt, hat den Vorteil, dass auf eine Fließhilfe, die zwischen das eingelegte Faserhalbzeug und die Membran gelegt wird, um die Membran bei Erzeugung eines Unterdrucks auf Abstand zu halten, verzichtet werden kann. Durch einen durchgängige Fließspalt mit insbesondere annähernd konstanter Breite, kann eine hohe Fließgeschwindigkeit des Matrixwerkstoffs erreicht werden, insbesondere in zwei Richtungen entlang der Oberfläche des Faserhalbzeugs. Dadurch wird einerseits eine Fließhilfe selbst als Abfallprodukt eingespart, andererseits aber auch der Anteil der Matrix, der die Hohlräume in der Fließhilfe auffüllt und als Abfallprodukt anfällt. Die Imprägnierzeit, insbesondere die Infusionszeit, des Faserhalbzeugs, kann reduziert werden, wodurch die Taktzeit des gesamten Herstellungsprozesses sinkt. Insbesondere sind Taktzeiten von weniger als 10 Minuten, vorzugsweise weniger als 6 Minuten, erreichbar. Das Herstellungsverfahren ist bei Verwendung geeigneter Faserhalbzeuge und Matrixwerkstoffe insbesondere dazu geeignet, Hochleistungsfaserverbundbauteile für den Fahrzeugbau, beispielsweise Seitentüren, Motorhauben oder andere Karosseriebauteile, mit hoher Qualität mit geringen Taktzeiten herzustellen. Das Herstellungsverfahren eignet sich insbesondere für Bauteile mit einfachen Geometrien wie Platten oder hinterschnittfreien schwach gekrümmten Geometrien. Es können aber auch Bauteile mit komplexten Geometrien, wie z.B. solche mit starken Krümmungen und Hinterschnitt in entsprechendem Formwerkzeug hergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Einstellen einer Druckdifferenz zwischen der Imprägnierkammer und der Spaltsteuerkammer auf weniger als 100 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 50 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 25 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 20 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 15 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 10 mbar, weiter vorzugsweise einige Millibar, weiter vorzugsweise auf in etwa 5 mbar. Ein solcher Differenzdruck ist insbesondere ausreichend, um die Membran entgegen ihrem Eigengewicht anzuheben. Insbesondere ist während der Infusion eines Matrixwerkstoffs der Druck in der Spaltsteuerkammer niedriger ist als in der Infusionskammer.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Druck in der Imprägnierkammer auf weniger als 100 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 50 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 25 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 20 mbar, weiter vorzugsweise auf 10 bis 15 mbar, eingestellt und eine Infusion des Faserhalbzeugs in weniger als zwei Minuten, vorzugsweise weniger als 1,5 Minuten, weiter vorzugsweise in weniger als einer Minute, durchgeführt. Insbesondere wird in der Imprägnierkammer für ein Infusionsverfahren ein Unterdruck gegenüber der Umgebung eingestellt. Insbesondere bei Epoxidharzsystemen wird die Imprägnierkammer auf einen Absolutdruck von bis zu 10-15 mbar evakuiert. Es ist auch für großflächige Bauteile eine schnelle und gute Imprägnierung des Faserhalbzeugs möglich. Dadurch sind Taktzeiten von weniger als 10 Minuten, vorzugsweise weniger als 6 Minuten, erreichbar und gleichzeitig Bauteile hoher Qualität herstellbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs mit einem eingelegten Faserhalbzeug in einer Schnittansicht, wobei die Drücke P1 und P2 gleich groß sind (P1 = P2);
- 2 eine schematische Darstellung der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs nach 1 mit einem eingelegten Faserhalbzeug in einer Schnittansicht, wobei der Druck P1 größer als der Druck P2 eingestellt ist (P1 > P2);
- 3a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines weiteren erfindungsgemäßen Formwerkzeugs mit einem eingelegten Faserhalbzeug in einer Schnittansicht, wobei die Drücke P1 und P2 gleich groß sind (P1 = P2);
- 3b eine schematische Darstellung der Ausführungsform eines weiteren erfindungsgemäßen Formwerkzeugs nach 3a mit einem eingelegten Faserhalbzeug in einer Schnittansicht, wobei der Druck P1 größer als der Druck P2 eingestellt ist (P1 > P2).
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In dem nachfolgenden Teil der Beschreibung der Erfindung werden für gleiche und gleich wirkende Elemente dieselben Bezugsziffern verwendet.
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Die 1 und 2 zeigen ein Formwerkzeug 1 zur Herstellung eines Faserverbundteils, insbesondere aus FVK-Laminat, in einer Seitenschnittansicht. Das Formwerkzeug 1 umfasst eine Unterformschale 2 und eine Oberformschale 3, wobei in die Formfläche 22 der Unterformschale 2 ein Faserhalbzeug 4 eingelegt ist. An die Außenfläche 21 der Unterformschale 2 grenzt eine nach außen fluiddichte untere Druckkammer 6 an. An die Außenfläche 31 der Oberformschale 3 grenzt eine nach außen fluiddichte obere Druckkammer 7 an. Hier ist als Arbeitsfluid Luft vorgesehen, sodass die untere Druckkammer 6 und die obere Druckkammer 7 luftdicht ausgebildet sind. Die untere Druckkammer 6 und die obere Druckkammer 7 bilden ein Untergestell 8 bzw. ein Obergestell 9 des Formwerkzeugs 1. Das Formwerkzeug 1 kann geöffnet und geschlossen werden und ist im geschlossenen Zustand dargestellt, so dass sich zwischen der Unterformschale 2 und der Oberformschale 3 eine Kavität 5 ausbildet, die gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Das Obergestell 9 bildet einen Auflagerand 91 mit einer umlaufenden Dichtvorrichtung 73 aus, die die obere Druckkammer 7 gegenüber der Oberformschale 3 luftdicht abdichtet. Das Untergestell bildet einen Auflagerand 81 mit einer umlaufenden Dichtvorrichtung 63 aus, die die untere Druckkammer 7 gegenüber der Unterformschale 2 luftdicht abdichtet. Durch eine Zulauföffnung 10 kann ein Matrixwerkstoff aus einem Matrixwerkstoffreservoir 17 in die Kavität 5 fließen, wobei der Zulauf absperrbar sein kann. Die Zulauföffnung 10 ist hier der Übersichtlichkeit halber für einen seitlichen Punktanguss ausgeführt. Es sind aber verschiedene, vorteilhaftere Angussformen denkbar, beispielsweise ein zentraler Punktanguss, insbesondere in der Nähe der Bauteilmitte, vorzugsweise mit einer ringförmigen Absaugung, die um das Bauteil herum angeordnet ist, wobei die Infusion von innen nach außen erfolgt. Alternativ kann ein Linienanguss, vorzugsweise über die gesamte Bauteilbreite, insbesondere mit einer gegenüberliegenden Linienabsaugung, vorgesehen sein. Es kann auch ein Ringanguss vorgesehen sein, vorzugsweise mit einer Absaugung in der Nähe der Bauteilmitte, wobei die Infusion von außen nach innen erfolgt. Insbesondere für komplex geformte Bauteile kann eine Kombination der genannten Angussformen vorgesehen sein, insbesondere mit mehreren Zulauföffnungen bzw. Angussstellen und/oder mehreren Absaugstellen. Vorzugsweise sind An- und Absaugstellen und an solchen Stellen der Kavität vorzusehen, die Zonen des Bauteils entsprechen, die später herausgetrennt werden, z.B. Durchbrüche oder Ausschnitte, oder die nicht sichtbaren Bereichen des Bauteil entsprechen, da sich An- und Abgussstellen typischerweise auf der Oberfläche des fertigen Bauteils abzeichnen.
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Das Faserhalbzeug 4 wird in der Kavität imprägniert, d.h. mit dem Matrixwerkstoff durchtränkt, um anschließend in der Unterformschale 2 auszuhärten. Dafür ist die Unterformschale 2 beheizbar ausgebildet. In der Kavität 5 kann ein Unterdruck oder ein Überdruck gegenüber der Umgebung erzeugt werden. Hier wird die Kavität über die Vakuumpumpen 15a, 16a über die Druckausgleichsverbindungen 24, 34 evakuiert, so dass der entstehende Unterdruck den Matrixwerkstoff aus dem Matrixwerkstoffreservoir 17 in die Kavität zieht, um das Faserhalbzeug 4 zu infusieren. Es könnte auch ein Überdruck in der Kavität erzeugt werden, insbesondere durch Ersetzen der Vakuumpumpen durch Verdichter 15b, 16b, um einen in die Kavität 5 eingebrachten Matrixwerkstoff in das Faserhalbzeug 4 zu injizieren. Die Vakuumpumpen 16a, 15a sind über Anschlussstutzen 76, 66 an die untere Druckkammer 6 bzw. obere Druckkammer 7 angeschlossen. Durch den Unterdruck bzw. den Überdruck in der Kavität 5, würden sich die Unterformschale 2 und die Oberformschale 3 so verformen, dass sie aufeinander zu bzw. voneinander weg gedrückt werden. Durch die obere und untere Druckkammer 6, 7 kann diese Deformation reduziert oder ausgeglichen werden. Im hier gezeigten Beispiel werden sich durch die Druckausgleichsverbindung in 24 ein gleicher Druck P1 und P3 innerhalb und außerhalb der Unterformschale 2 und durch die Druckausgleichsverbindung in 34 ein gleicher Druck P2 und P4 innerhalb und außerhalb der Oberformschale 3 einstellen, so dass keine resultierenden Kräfte auf die Unter- oder Oberformschale 2, 3 einwirken und diese sich folglich nicht verformen, insbesondere verbiegen. Die Außenwände 76, 77 der unteren Druckkammer 6 bzw. der oberen Druckkammer 7 sind steifer, insbesondere biegesteifer, gestaltet als die Unterformschale 2 bzw. die Oberformschale 3 und können die durch den Unterdruck bzw. einen Überdruck P3 bzw. P4 entstehenden Lasten tragen.
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Zwischen der Oberformschale 3 und der Unterformschale 2 ist eine Membran 11 angeordnet, die flexibel und luftundurchlässig ist. Die Membran 11 unterteilt die Kavität 5 in eine Imprägnierkammer 12 zwischen der Formfläche 22 der Unterformschale 2 und der Membranunterseite 111 einerseits und eine Spaltsteuerkammer 13 zwischen der Innenfläche 32 der Oberformschale 3 und der Membranoberseite 112 andererseits. Die Imprägnierkammer 12 und die Spaltsteuerkammer 13 sind jeweils über umlaufende Dichtvorrichtungen 23 bzw. 33 nach außen abgedichtet. Die Zulauföffnung 10 mündet in die Imprägnierkammer 12, in der das Faserhalbzeug 4 imprägniert wird. Zwischen der Spaltsteuerkammer 13 und der Imprägnierkammer 12 kann eine Druckdifferenz eingestellt werden, deren Betrag |P1-P2| insbesondere so groß ist, dass die Membran 11 angehoben oder abgesenkt wird. In 1 ist der Druck P1 gleich dem Druck P2, so dass die Membran 11 im Wesentlichen schlaf eingespannt ist. In 2 ist der Druck P2 in der Spaltsteuerkammer 13 geringer als der Druck P1 in der Imprägnierkammer 12, weshalb sich die Membran 11 an die Innenseite 22 der Oberformschale 3 anlegt. Dabei bildet sich ein Fließspalt 14, dessen Breie durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, für den Matrixwerkstoff aus. Dabei ist zu beachten, dass 1 und 2 nicht maßstabsgetreu sind und der Fließspalt 14 beispielsweise ungefähr 1,5 mm beträgt. In 2 ist angedeutet, wie ein Matrixwerkstoff aus dem Matrixwerkstoff Reservoir 17 in die Imprägnierkammer 12 entlang der Oberfläche des eingelegten Faserhalbzeugs 4 fließt.
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Das Formwerkzeug 1 umfasst eine Druckregelungseinrichtung 40, die mit den Vakuumpumpen 15a, 16a und mit den Drucksensoren 65, 75, 25 und 35 verbunden ist, die der unteren Druckkammer 6, oberen Druckkammer 7, Imprägnierkammer 12 bzw. Spaltsteuerkammer 13 zugeordnet sind. Weiterhin umfasst das Formwerkzeug 1 eine Deformationsregelungseinrichtung 41, die mit Deformationssensoren 18, 19, hier als Abstandssensoren ausgeführt, verbunden ist, um eine Deformation der Unterformschale 2 bzw. Oberformschale 3 zu erfassen. Die Deformationsregelungseinrichtung 41 ist mit der Druckregelungseinrichtung 40 verbunden, um eine erfasste Deformation durch eine entsprechende Einstellung der Drücke P4 und P2 bzw. P3 und P1 ausregeln zu können. Ein Druck P3, P4 in einer unteren bzw. oberen Druckkammer 6 bzw. 7 ist derart einstellbar, dass der Betrag der Druckdifferenz |P3-P1| bzw. |P4-P2| zwischen dem Druck in der Druckkammer P3 bzw. P4 und einem Druck in der Kavität P1 bzw. P2 geringer ist als der Betrag der Druckdifferenz |P0-P1| bzw. |P0-P2| zwischen dem Umgebungsdruck P0 des Formwerkzeugs 1 und dem Druck P1 bzw. P2 in der Kavität 5.
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Ein solches Formwerkzeug 1 eignet sich insbesondere für großflächige Bauteile, wie sie in der Fahrzeugindustrie hergestellt werden. Durch den Ausgleich der resultierenden Kräfte auf die Formfläche 22 der Unterformschale 2 und/oder die Oberformschale 3 werden geringere Fertigungstoleranzen für Bauteile erreicht. Zusätzlich behält eine spaltförmig ausgebildete Kavität 5 dadurch auch bei Druckbbeaufschlagung der Kavität 5 ihre gewünschten Abmessungen, wodurch sich der Fließband 14 nicht ungleichmäßig verengt. Dadurch sind höhere Fließgeschwindigkeiten erzielbar, wodurch die Imprägnierzeit, insbesondere die Infusionszeit, sinkt. Es sind kürzere Taktzeiten für die Fertigung eines Faserverbundteils erreichbar, insbesondere von weniger als 6 Minuten.
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In den Ausführungsformen nach den 1 und 2 ist die erfinderische Idee untere und/oder obere Druckkammern 6, 7 vorzusehen mit der erfinderischen Idee einen durch eine Druckdifferenz steuerbaren durchgängigen Fließspalt 14 vorzusehen kombiniert. Es ist aber auch eine Ausführungsform mit einer einheitlichen Kammer in der Kavität 5 ohne eine Membran 11 möglich, wobei der entstehende Fließspalt 14 nicht steuerbar wäre. Außerdem sind verschiedene Konfigurationen der Vakuumpumpen 15a, 16b bzw. Verdichter 15b, 16b möglich, wobei zusätzliche Ventile vorgesehen sein können, um unterschiedliche Drücke P3, P4 in der unteren und oberen Druckkammer 6 bzw. 7 und entsprechende Drücke P1, P2 in der Imprägnierkammer 12 bzw. der Spaltsteuerkammer 13 einzustellen. Beispielsweise könnte in zwei Kammern mit einem gemeinsamen Anschluss an eine Vakuumpumpe 15a oder 16a bzw. einen Verdichter 15b oder 16b ein bestimmter Druck eingestellt werden, um dann eine der beiden Kammer luftdicht abzusperren und die weitere Kammer mit einem Differenzdruck gegenüber der ersten Kammer zu beaufschlagen. Umgekehrt könnte auch durch Ablassen von Luft über ein Ventil ein Differenzdruck eingestellt werden.
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Die 3a und 3b zeigen ein Formenwerkzeug 1 zur Herstellung eines Faserverbundteils, das gegenüber der Ausführungsform in den 1 und 2 keine Druckkammern 6 und 7 umfasst. Dabei entspricht die 3a der 1 und die 3a der 2. Die 3a und 3b zeigen insofern eine Ausführungsform, die die erfinderische Idee einen durch eine Druckdifferenz steuerbaren durchgängigen Fließspalt 14 vorzusehen umsetzt. Die Funktionsweise und Wechselwirkung zwischen der Imprägnierkammer 12, Spaltsteuerkammer 13 und Membran 11 ist aber völlig analog, abgesehen davon, dass eine Deformation der Formfläche 22 der Unterformschale 2 und/oder der Oberformschale 3 aufgrund des Fehlens der Druckkammern 6, 7 nicht ausgeglichen werden kann. Es stellt sich aber der vorteilhafte Effekt eines durchgängigen Fließspalts 14 ein, der eine hohe und gleichmäßige Fließgeschwindigkeit des Matrixwerkstoffs entlang der gesamten Oberfläche des Faserhalbzeugs 4 ermöglicht und dadurch zu einer kurzen Imprägnierzeit des Faserhalbzeugs 4 und einer kurzen Taktzeit für die Herstellung eines Faserverbundteils beiträgt. Über hinaus fallen keine Fließhilfe und der darin eingefüllte Anteil der Matrix als Abfallprodukte an. Die Unterformschale 2 und die Oberformschale 3 können im Wesentlichen starr ausgeführt sein, beispielsweise als massive Formschalen aus Metall, die im Wesentlichen biegesteif sind und sich bei dem aufgebrachten Innendruck nicht wesentlich verformen.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als wesentlich für die Erfindung beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formwerkzeug
- 2
- Unterformschale
- 3
- Oberformschale
- 4
- Faserhalbzeug
- 5
- Kavität
- 6
- untere Druckkammer
- 7
- obere Druckkammer
- 8
- Untergestell
- 9
- Obergestell
- 10
- Zulauföffnung
- 11
- Membran
- 12
- Imprägnierkammer
- 13
- Spaltsteuerkammer
- 14
- Fließspalt
- 15a
- Vakuumpumpe
- 15b
- Verdichter
- 16a
- Vakuumpumpe
- 16b
- Verdichter
- 17
- Matrixwerkstoffreservoir
- 18
- Deformationssensor
- 19
- Deformationssensor
- 21
- Außenfläche
- 22
- Formfläche
- 23
- Dichtvorrichtung
- 24
- Druckausgleichsverbindung
- 25
- Drucksensor
- 31
- Außenfläche
- 32
- Innenfläche
- 33
- Dichtvorrichtung
- 34
- Druckausgleichsverbindung
- 35
- Drucksensor
- 40
- Druckregelungseinrichtung
- 41
- Deformationsregelungseinrichtung
- 63
- Dichtvorrichtung
- 64
- Evakuierungsöffnung
- 65
- Drucksensor
- 66
- Anschlussstutzen
- 67
- Außenwand
- 73
- Dichtvorrichtung
- 74
- Evakuierungsöffnung
- 75
- Drucksensor
- 76
- Anschlussstutzen
- 77
- Außenwand
- 81
- Auflagerand
- 91
- Auflagerand
- 111
- Membranunterseite
- 112
- Membranoberseite
- P0
- Umgebungsdruck des Formwerkzeugs
- P1
- Druck in der Imprägnierkammer
- P2
- Druck in der Spaltsteuerkammer
- P3
- Druck in der unteren Druckkammer
- P4
- Druck in der oberen Druckkammer
