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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von aus Faserverbundkunststoff gebildeten Bauteilen.
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Faserverbundkunststoffe (FVK) besitzen ein enormes Potential hinsichtlich Leichtbau sowie anwendungs- und eigenschaftsoptimierter Werkstoffgestaltung. Dabei können neben einer Reduzierung der Bauteilmasse die mechanischen Eigenschaften (Steifigkeit, Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Dämpfung, Dauerfestigkeit ...), die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit gesteuert und optimiert werden. Darüber hinaus kann mit FVKs eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung des Designs realisiert werden. Die Thematik einer Funktionsintegration kann bei FVKs ebenso umgesetzt werden.
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FVKs bestehen dabei aus mindestens zwei Hauptmaterialien, den Verstärkungsfasern und dem Matrixwerkstoff. Typische Vertreter der Verstärkungsfasern sind z.B. Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Keramik-, Basalt-, Naturfasern. Diese Fasern liegen entweder als Kurz- oder Endlosfasern vor, wobei Endlosfasern als textile Halbzeuge insbesondere in der Form von Geweben, Geflechten, Gelegen, Multiaxialgelegen, Gestricken, Matten verarbeitet werden können. Weiterhin werden auch Vliesstoffe genutzt. Im Bereich der Matrixpolymere werden überwiegend Harze (ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze, Diallylphthalatharze, Methyl-Methacrylatharze, Epoxidharze, Polyurethane, Phenol-Formaldehydharze, Aminoharze), Thermoplaste (z.B. PE, PP, PEEK, ...), Biopolymere und Elastomere, wie Gummi und Polyurethan genutzt, die flüssig, faser- oder pulverförmig vorliegen können. Ergänzend können dem Matrixpolymer Füllstoffe, Additive oder Farbstoffe zugemischt werden, um die Eigenschaften des FVKs gezielt zu beeinflussen. Die Wahl des Matrixpolymers ist abhängig von den Materialanforderungen sowie Einsatzbedingungen. Herstellungsverfahren für FVK sind beispielsweise Handlaminieren/Faserspritzen, Nasspressen, Wickelverfahren, Profilziehverfahren, Injektionsverfahren, Spaltimprägnierungsverfahren, Heißpressen von SMC (Sheet Moulding Compound) /BMC (Bulk Moulding Compound), Hochdruckpressen von GMT (Glasmattenverstärkter Thermoplast) /LFT (langfaserverstärkter Thermoplast), Spritzgießen von BMC, Spritzgießen von LFT, automatisierte Legeverfahren. Zur Optimierung der Verarbeitbarkeit der Halbzeuge sowie des Konsolidierungsprozesses werden Prepregs (vorimprägnierte Halbzeuge) oder Hybridgarne (Verstärkungsfaser sowie Matrixpolymer liegen innerhalb der Rovings in homogener oder heterogener Mischung vor) eingesetzt. Für die Konsolidierung der konfektionierten Halbzeuge werden diese mit Temperatur und Druck für eine definierte Haltedauer beaufschlagt. Zusätzlich werden die Halbzeuge evakuiert, um die eingeschlossenen Luftblasen zu entfernen. Hochbelastete FVK, die überwiegend in der Luft- und Raumfahrt sowie dem Leistungssport eingesetzt werden, werden im Autoklaven konsolidiert. Ein Autoklav vereint die Vakuumierung des Bauteils, die Beaufschlagung des Bauteils mit Druck sowie die Erhitzung auf die Konsolidierungstemperatur. Er wird bei Prozesssen eingesetzt, in denen höhere Drücke und Temperaturen erforderlich sind. Auf diese Weise können Defekte minimiert und der Faser-Volumen-Gehalt sowie die Festigkeit und Qualität gesteigert werden.
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Das Autoklavenverfahren besitzt allerdings die Nachteile, dass es sehr aufwändig und teuer ist, weshalb es ausschließlich für komplexe Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie im Leistungssport eingesetzt wird. Weitere Nachteile sind die hohen Investitionskosten sowie hohe Taktzeiten (manueller Aufbau, Aufheiz- und Härtezyklus). Allerdings besitzen die autoklavierten Bauteile höhere Festigkeiten und Qualitäten.
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Hochtemperaturautoklaven arbeiten mit einem Druck von ca. 10 bar und einer Temperatur von bis zu 400 °C. Die FVK-Bauteil-Herstellung mittels des Autoklavenverfahrens beinhaltet üblicherweise folgende Arbeitsschritte:
- - Ablegen der Halbzeuglagen in Abhängigkeit der Auslegung (Prepregs, Gewebe, Gelege, Maschenware, ...)
- - Abdecken mit Lochfolie, Saugvlies und Vakuumfolie
- - Dichtheitsprüfung der Vakuumfolie
- - Einbringen des Bauteils in den Autoklaven, ggf. in Formhälfte
- - Verschließen des Autoklaven
- - Vakuumieren, Druckbeaufschlagung des Prozessraums, Aufheizen des Prozessraums
- - Konsolidierung bei hohem Druck sowie hoher Temperatur
- - Absaugung von entstehenden Reaktionsgasen bei Konsolidierung über Vakuumpumpe
- - Abkühlen
- - Belüften
- - Entnehmen
- - Entformen und
- - Nacharbeit.
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Diese Vielzahl an Arbeitsschritten sorgt für die hohen Prozesszeiten und -kosten des Verfahrens. Es lassen sich aber bisher nur auf diese Weise ausgezeichnete Qualitäten erreichen. Darüber hinaus besteht bei den meisten Herstellungsverfahren für FVK-Bauteile die Problematik, dass die meisten Faserwerkstoffe eine ungenügende Wärmeleitung aufweisen, um mit hohen Heizraten zu arbeiten. Daher weisen alle Herstellungsverfahren hohe Prozesszeiten auf.
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Die Konsolidierung der Halbzeuge basiert überwiegend auf Heißpress- oder Autoklavenverfahren, um die dauerstabile Verbindung der Faserwerkstoffe mit den Matrices herzustellen. Bei thermoplastischen Matrixwerkstoffen, wie z.B. PP, PE, PEEK werden geeignete Temperaturen und Drücke benötigt, um das Polymer aufzuschmelzen und homogen im Verbund zu verteilen. Das Erstarren/Verfestigen des jeweiligen Matrixwerkstoffs basiert auf der Abkühlung des Verbundes. Bei duroplastischen Matrixwerkstoffen werden die Halbzeuge mit dem Polymer getränkt oder das Polymer injiziert, das durch den Druck verdichtet und homogen verteilt wird, bevor durch die Temperatur die Vernetzung des Polymers initiiert wird.
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Daher besteht der Haupteinflussfaktor für die relativ langen Taktzeiten, besonders bei der Nutzung von Autoklaven, in der Wärmeleitfähigkeit der Halbzeuge bzw. Bauteile.
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Bei den Heißpressverfahren werden beheizte Werkzeuge eingesetzt, die die Bauteilkontur enthalten und die Halbzeuge unter Hochdruck in Form bringen. Die Halbzeuge werden meist in vorgelagerten Prozessen vorgeheizt, um die Prozesszeiten innerhalb der Presse zu verkürzen. Die vorgeheizten Halbzeuge werden in die beheizten Presswerkzeuge eingelegt, die Werkzeuge zusammengefahren, die Halbzeuge weiter aufgeheizt und nach Erreichen der Konsolidierungstemperatur weiter zusammengefahren, um den notwendigen Druck zu erzeugen. Bei thermoplastischen Matrixwerkstoffen werden die Werkzeuge nach einer Haltezeit abgekühlt, damit das Polymer erstarrt und das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen werden kann. Bei duroplastischen Matrixwerkstoffen kann das Bauteil ohne eine zusätzliche Abkühlphase aus dem Werkzeug entnommen werden, da die Vernetzung des Polymers bereits abgeschlossen ist.
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Bei dem Autoklavenverfahren mit kombiniertem Harzinjektionsverfahren für duroplastische und thermoplastische Polymere werden die Halbzeuge in einteilige Formschalen eingelegt und mit Vakuumfolien abgedeckt. Diese Formschalen werden dann in den Autoklaven eingebracht und an die Vakuum- sowie Harzversorgung angeschlossen. Nachfolgend wird das Harz über Unterdruck in die Halbzeuge gesaugt, bis die Form gefüllt ist. Die Formen werden permanent unter Vakuum gehalten, um eingeschlossene Luftblasen zu entfernen. Zusätzlich wird der Autoklav mit Überdruck beaufschlagt, damit eine höhere Verdichtung der Fasern und des Matrixwerkstoffs erreicht werden. Der Autoklav wird nun auf die notwendige Konsolidierungstemperatur aufgeheizt und nach einer Haltezeit abgekühlt. Bei thermoplastischen Matrixwerkstoffen muss das Polymer aufgeschmolzen werden, bevor es injiziert wird.
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Wenn Hybridgarne, bestehend aus den Verstärkungsfasern sowie der thermoplastischen Matrix, eingesetzt werden, entfällt einzig der Schritt der Harzinjektion.
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Als alternatives Heizverfahren kann auch Mikrowellenstrahlung eingesetzt werden, um beispielsweise eine Vorwärmung des Injektionsharzes innerhalb der Zuleitungen zu ermöglichen.
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Beim Stand der Technik sind folgende Nachteile beachtlich:
- - hoher Energieverbrauch,
da großes Ofenvolumen oder die massiven Werkzeuge aufzuheizen sind
- - geringe Heizraten
- - ausschließlich konvektive Wärmeübertragung im Ofen und Wärmeleitung in Werkzeugen
- - hohe Prozesszeiten und
- - hohe Bauteilkosten.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die energieeffiziente Erwärmung der Halbzeuge zu verbessern, höhere Heizraten bei der Konsolidierung zu ermöglichen, wodurch die erforderlichen Prozesszeiten reduziert werden können, eine Erhöhung der Ausnutzung eines Ofens oder Werkzeugs, da sich Bauteile nicht thermisch abschatten, zu erreichen, was zu einer Einsparung von Produktionsfläche und -zeit sowie zur Einsparung von Material- und Arbeitskosten bei der Herstellung von FVK-Bauteilen führt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 11 betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung von aus Faserverbundkunststoff gebildeten Bauteilen wird mindestens ein Halbzeug, das als textiles Gebilde mit Fasern gebildet ist, in einen Prozessraum eines Autoklaven oder ein Heißpresswerkzeug eingelegt. Mit von außen zugeführtem Polymer oder einem Bestandteil des textilen Gebildes aus polymerem Werkstoff wird bei einer thermischen Behandlung die polymere Matrix eines Bauteils gebildet. Das textile Gebilde ist in einer Alternative mit elektrisch leitenden Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern, mit Fasern, die an der Oberfläche einen elektrisch leitenden Überzug aufweisen, gebildet. In einer weiteren Alternative wird ein elektrisch leitendes Polymer zugeführt. Es werden mindestens zwei am mindestens einem Halbzeug vorhandene elektrische Anschlusskontakte, an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen, so dass bei einem elektrischen Stromfluss durch das mindestens eine Halbzeug innerhalb des Prozessraums des Autoklaven oder innerhalb des Heißpresswerkzeugs eine Erwärmung erreicht wird, mit der zumindest eine Konsolidierung des die polymere Matrix bildenden Werkstoffs durch elektrische Widerstandsheizung erreicht wird. Nach einer Abkühlung und/oder der Einhaltung einer Haltezeit wird das Bauteil aus dem Autoklaven oder dem Heißpresswerkzeug entnommen.
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Ein die polymere Matrix bildendes Polymer kann zugeführt werden, in dem elektrisch leitende Partikel oder Drähte, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren, metallische Partikel oder Drähte oder Kohlenstoff enthalten sind.
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Es können aber auch Fasern auf deren Oberflächen ein Überzug ausgebildet ist, der mit elektrisch leitenden Partikeln oder Drähten, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren, metallischen Partikeln oder Drähten oder Kohlenstoff oder elektrisch leitfähigen Dünnschichten (PVD-, CVD-Verfahren) gebildet ist, für die Herstellung eines Halbzeugs eingesetzt werden.
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Ein elektrisch leitender Überzug kann durch eine Sprüh- oder Tauchbeschichtung oder bei einem Spinnprozess mittels Kern-Mantel-Spinndüsen ausgebildet werden, wobei die Sprüh- bzw. die Spinndispersion des Fasermantels CNTs oder andere elektrisch leitfähige Elemente wie Silbernanodrähte auch in Kombination mit anderen elektrisch leitfähigen Partikeln wie z. B. carbon black (CB) enthalten kann. Zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung eingesetzt werden. Als gesprühte oder im Fasermantel befindliche Partikel können auch Partikel, wie z. B. Graphenoxid eingesetzt werden, die durch eine anschließende chemische Nachbehandlung elektrisch leitfähig werden.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit ein Halbzeug einzusetzen, bei dem das textile Gebilde mit einem Hybridgarn hergestellt ist, das mit elektrisch leitenden Fasern oder mit Fasern, die einen elektrisch leitenden Überzug aufweisen und mit Fasern, die aus einem die Matrix des Bauteils bildenden Polymers gebildet sind, gebildet ist.
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Es können mehr als zwei elektrische Anschlusskontakte an die mindestens eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen werden. Dadurch kann eine lokal differenzierte bzw. global homogene Erwärmung erreicht werden, da unterschiedliche elektrische Widerstände beim Durchfließen des Halbzeugs mit elektrischem Strom zwischen den verschiedenen Anschlusskontakten erreicht werden. Dies kann unterstützt werden, indem mehrere elektrische Spannungsquellen für den Anschluss an elektrische Anschlusskontakte genutzt werden, die jeweils unterschiedlich gesteuert oder geregelt betrieben werden können.
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Die elektrischen Anschlusskontakte sollten an elektrisch leitende Fasern oder einen elektrisch leitenden auf Faseroberflächen ausgebildeten elektrisch leitenden Überzug angeschlossen werden.
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Besonders vorteilhaft sollten die elektrischen Anschlusskontakte im Bereich eines Verschnittes an mindestens einem Halbzeug angeordnet oder ausgebildet werden. Dadurch kann ein fertig hergestelltes Bauteil erhalten werden, an dem man die elektrischen Anschlusskontakte weder erkennen noch bemerken kann.
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Der elektrische Strom und/oder die elektrische Spannung kann/können in Abhängigkeit des elektrischen Widerstands, der im elektrischen Stromkreis zwischen den elektrischen Anschlusskontakten ermittelt wird, und/oder der am mindestens einen Halbzeug oder am/im Prozessraum des Autoklaven oder des Heißpresswerkzeugs gemessenen Temperatur geregelt werden.
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Es können auch mehrere Halbzeuge für die Herstellung eines Bauteils eingesetzt werden. Dabei sollten mindestens zwei Halbzeuge mit unterschiedlichen Verstärkungsfasern und/oder unterschiedlichen Polymeren gebildet sein.
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Es kann aber auch mindestens ein Halbzeug für die Herstellung eines Bauteils eingesetzt werden, das Bereiche aufweist, die mit unterschiedlichen Verstärkungsfasern und/oder unterschiedlichen Polymeren gebildet sind. Mit den beiden letztgenannten Möglichkeiten lassen sich Bauteile herstellen, die lokal differenziert unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
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Dabei können Verstärkungsfasern aus unterschiedlichen Werkstoffen und/oder mit unterschiedlicher Dimensionierung, was insbesondere den Faserdurchmesser betrifft, eingesetzt werden.
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Die Erfindung kann die Nachteile der kommerziellen Konsolidierungsverfahren deutlich abschwächen bzw. eliminieren. Die überwiegenden Nachteile (hohe Prozesszeiten, hoher Energieverbrauch, hohe Bauteilkosten) lassen sich auf die sehr niedrigen Heizraten zurückführen, die während des Konsolidierungsprozesses innerhalb von Autoklaven und Heißpressen genutzt werden.
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Der Autoklav bzw. die Werkzeuge können durch die elektrische Widerstandsheizung mit erwärmt werden. Die Temperatur geht ausschließlich durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung in den Verbund aus Verstärkungsfasern und Matrixmaterial des/der Halbzeuge(s) über und bewirkt die Vernetzung der Polymermatrix.
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Der Einsatz einer elektrischen Widerstandsheizung von Halbzeugen kann also mit elektrisch leitenden Elementen:
- - mit elektrisch leitfähigen Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern
- - mit elektrisch leitfähigem Matrixpolymer (z.B. durch Integration von CNTs, leitfähigen Nanofasern und Makrofasern, Silberdrähten, CarbonBlack) und/oder
- - mit elektrisch leitfähigen Überzügen (Schlichte) und/oder anderen dünnen Beschichtungen auf Faseroberflächen
erreicht werden.
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Dies führt zur Realisierung von extrem hohen Heizraten, wobei die Aufheizung des Autoklavenvolumens oder des Heißpresswerkzeugs vermieden werden kann bzw. nur im geringfügigen Maße stattfindet. Einzig eine geringe Umgebungs- bzw. Werkzeugtemperatur kann notwendig sein, damit die komplette Vernetzung des Polymers bis zur Bauteiloberfläche ermöglicht wird.
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Die direkte elektrische Widerstandsheizung, basierend auf den drei oben benannten Komponenten, ermöglicht, dass dieses Verfahren auf die gängigen FVK-Bauteile angewandt werden kann. Einzig die erzielbaren Heizraten unterscheiden sich, wobei die elektrische Heizleistung der elektrisch leitfähigen Verstärkungsfasern am höchsten ist und bei elektrisch leitfähigen Überzügen (Schlichte/Faserbeschichtungen) am geringsten. Dies ist bedingt durch die vorhandenen elektrischen Leiter, deren resultierenden nutzbaren Querschnitte sowie deren elektrischen Eigenschaften. Durch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Matrixpolymeren und/oder elektrisch leitfähigen Überzügen können auch elektrisch isolierende oder schlecht leitfähige Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Glas-, Keramik-, Aramid-, Basalt- sowie Naturfasern verwendet werden. Durch die Kombination der verschiedenen Einzelkomponenten lässt sich der Gesamtwirkungsgrad weiter steigern. Darüber hinaus lassen sich ebenso die verschiedenen Matrixpolymere sowie Halbzeuge, wie z.B. Hybridgarne, verarbeiten.
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Die flächige bzw. voluminöse direkte elektrische Widerstandsheizung ersetzt entweder die Heizung der Prozesskammer oder des Werkzeugs (vollelektrisch), da die Halbzeuge direkt erwärmt werden, oder unterstützt die Erwärmung der Halbzeuge auf die Konsolidierungstemperatur (elektrisch unterstützt). Dabei sollte die Lage der elektrischen Anschlusskontakte der elektrischen Widerstandsheizung auf den gewünschten elektrischen Strom- und damit den Wärmefluss abgestimmt sein. Bei sehr großen oder voluminösen Bauteilen können die Bearbeitungs- bzw. Leiterlängen mit mehr als zwei elektrischen Anschlusskontakten unterteilt werden, um eine möglichst homogene Wärmeverteilung zu erhalten.
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Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind deutliche Steigerung der Heizraten, die erreichbare Reduzierung der Prozesszeiten und -kosten, die Verbesserung der Autoklavenausnutzung, da sich Bauteile nicht gegenseitig thermisch abschatten, sondern direkt beheizt werden, die Möglichkeit der Verarbeitung unterschiedlicher Matrixpolymere innerhalb eines Autoklavendurchlaufs, da die Konsolidierungstemperatur bauteilbezogen geregelt werden kann, der Einsatz als vollelektrische Heizung oder elektrisch unterstützte Ofen- oder Werkzeugheizung, die deutliche Steigerung der Heizraten.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Beispiel für die Herstellung eines Bauteils in einem Autokla ven und
- 2 ein Beispiel für die Herstellung eines Bauteils in einem Heisspresswerkzeug.
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Das nachfolgende Beispiel gemäß 1 beschreibt die Herstellung von zuvor konfektionierten Halbzeugen, bestehend aus vorimprägnierten textilen Gebilden, die mit Kohlenstofffasern gebildet sind (Prepregs), in die ein duroplastisches Polymer injiziert werden soll und eine Konsolidierung unter einem Druck p sowie einer Temperatur T erfolgt. Alternativ können Hybridgarne eingesetzt werden, wodurch die Harzinjektion ggf. entfallen kann. Hybridgarne stellen dabei eine Kombination von Kohlenstofffasern mit polymeren Fasern dar, die gemeinsam ein textiles Gebilde bilden. Mit dem Werkstoff der polymeren Fasern wird die Matrix eines FVK-Bauteils 1 gebildet.
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1 zeigt den schematischen Aufbau zur Konsolidierung eines mit Halbzeugen gebildeten Bauteils 1 unter Nutzung eines Autoklaven 2.
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Der prinzipielle Ablauf des Konsolidierungsprozesses ähnelt dem kommerziellen Ablauf der Autoklavierung, da ausschließlich die Temperierung des mit Halbzeugen gebildeten Bauteils 1 anders, als beim Stand der Technik dargelegt, erfolgt. Zu Beginn wird durch Konfektionieren und Ablegen von Halbzeugen das Bauteil 1 geformt, das nachfolgend mit Lochfolie, Saugvlies und Vakuumfolie abgedeckt wird. Das mit Halbzeugen gebildete Bauteil 1 wird in den Autoklaven 2 eingebracht und an eine Zuführung 4 für polymeres Harz, einen Unterdruckerzeuger über eine Leitung 3 sowie die elektrische(n) Spannungsquelle(n) 5 über zugehörige Zu- und Ableiter 6 an die elektrischen Anschlusskontakte eines Halbzeugs angeschlossen und in eine Formhälfte 2.1 in den Autoklaven eingelegt. Nach dem Verschließen des Autoklaven 2 wird die Ableitung der Unterdruckerzeugung 3 zur Ausbildung von zumindest annähernd Vakuumbedingungen aktiviert, die mit einem Harz- bzw. Polymerabscheider (nicht gezeigt) versehen ist. Zusätzlich wird der Prozessraum, in dem die vorgeformten Halbzeuge angeordnet sind, mit einem Überdruck beaufschlagt. Danach wird das Harz, als das die Matrix des Bauteils 1 bildenden Polymers, in das Bauteil 1 injiziert und parallel dazu werden weiter Gase abgesaugt, um die Vakuumbedingungen einzuhalten und dabei die im Matrixpolymer enthaltenen Luftblasen zu entfernen. Nachdem das Harz von der Injektion bis zum Harzabscheider gefördert wurde, wird der Innendruck innerhalb des Autoklaven 2 erhöht, um überschüssiges Harz zu entfernen. Anschließend erfolgt die Erwärmung des Bauteils 1 durch die Aktivierung der elektrischen Spannungsquelle(n) 5. Die dafür notwendigen elektrischen Anschlusskontakte befinden sich vorteilhaft im Bereich des Verschnitts des Bauteils 1 und beeinflussen damit nicht die finale Qualität der Bauteile 1. Die elektrischen Parameter (elektrische Spannung, Stromstärke, Leistung) sind von den jeweils eingesetzten Fasern sowie dem Faservolumenanteil in den das Bauteil 1 bildenden Halbzeugen abhängig. Die direkte elektrische Erwärmung der Kohlenstofffasern mittels elektrischer Widerstandsheizung führt zur Vernetzung des duroplastischen Matrixpolymers. Unterstützend kann die Prozesskammer geheizt werden, um eine Abschreckung des konsolidierten Bauteils 1 zu vermeiden und eine komplette Vernetzung des Polymers (keine Oberflächentackigkeit/Anfassklebrigkeit) zu garantieren. Diese Erwärmung der Prozesskammer erfolgt zum überwiegenden Teil aus der Abwärme aus dem Bauteil 1. Nach einer Haltezeit wird die elektrische Spannungsversorgung abgestellt und das Bauteil 1 kühlt auf eine Handlingstemperatur ab.
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Wenn unter Nutzung der elektrischen Widerstandsheizung sehr große und komplexe Bauteile 1 hergestellt werden, ist es sinnvoll mehrere elektrische Anschlusskontakte an verschiedenen zueinander beabstandeten Positionen vorzusehen, um eine homogene Erwärmung des Bauteils 1 zu erzielen. Unter Nutzung der direkten elektrischen Erwärmung der Bauteile 1 lässt sich zeitgleich der Ausnutzungsgrad der Autoklaven 2 steigern, da mehrere Bauteile 1 dichter gepackt werden können und eine thermische Abschattung ausgeschlossen ist.
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Darüber hinaus können auch Bauteile 1, die unterschiedliche Matrixpolymere enthalten, während eines Autoklavendurchlaufs konsolidiert werden, da durch die entsprechende elektrische Kontaktierung die Temperaturen im jeweiligen Bauteil lokal definiert geregelt werden können. Dies kann genutzt werden, um verschiedenartige FVK-Bauteile zeitgleich zu konsolidieren und andererseits, um die Herstellung gradierter Bauteile 1 zu ermöglichen, was neuartige Funktionskombinationen gestattet, z.B. die Kombination harter (z.B. duroplastischer) Komponenten mit elastischen Komponenten.
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Das nachfolgende Beispiel beschreibt die Herstellung von zuvor konfektionierten Halbzeugen, bestehend aus Hybridgarngeweben, die mit Kohlenstofffasern sowie Polypropylenfasern gebildet sind, die unter einem Druck p sowie einer Temperatur T konsolidiert werden. Alternativ können trockene Halbzeuge eingesetzt werden, die eine zusätzliche Harzinjektion erfordern.
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Die 2 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Konsolidierung unter Nutzung eines Heißpresswerkzeugs 7.
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Der prinzipielle Ablauf des Konsolidierungsprozesses ähnelt dem kommerziellen Ablauf des Heißpressens. Die thermische Behandlung des Bauteils 1 erfolgt anders als beim Stand der Technik dargelegt. Zu Beginn wird durch Konfektionieren und Ablegen der mit dem oben erwähnten Hybridgarn gebildeten Halbzeuge das Bauteil 1 geformt und in das Heißpresswerkzeug 7 eingelegt. Zur Steigerung der Effizienz wird beim kommerziellen Heißpressen das Bauteil 1 beispielsweise mittels Bestrahlung mit IR-Strahlung vorgeheizt. Diese Vorheizung könnte ebenso elektrisch erfolgen und die Kosten weiter senken. Die vorgeheizten Bauteile 1 werden in die Formhälften 7.1 und 7.2 des Heißpresswerkzeugs 7 eingelegt und das Heißpresswerkzeug 7 geschlossen. Durch das Zusammenpressen des Heißpresswerkzeugs 7 wird das Bauteil 1 mit Druck beaufschlagt. Anschließend erfolgt die Erwärmung des Bauteils 1 durch die Aktivierung der elektrischen Spannungsquelle(n) 5, die über zugehörige Zu- und Ableiter 6 an die elektrischen Anschlusskontakte eines Halbzeugs angeschlossen sind. Die dafür notwendigen elektrischen Anschlusskontakte werden vorteilhaft im Bereich des Verschnitts angeordnet und beeinflussen damit nicht die finale Qualität der Bauteile 1. Die elektrischen Parameter (elektrische Spannung, Stromstärke, Leistung) sind von den eingesetzten Fasern sowie dem Faservolumenanteil der elektrisch leitfähigen Fasern abhängig. Die direkte elektrische Widerstandsheizung der Kohlenstofffasern führt zum Aufschmelzen und Verflüssigen des Polymers mit dem die polymeren Fasern im Hybridgarn gebildet sind und bilden die Matrix des fertig hergestellten FVK-Bauteils 1. Die Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff werden mit dem Matrixpolymer benetzt und durch Erhöhung des Drucks in die Endkontur gebracht. Nach einer Haltezeit wird die elektrische Spannungsversorgung abgestellt und das Heißpresswerkzeug 7 auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Polymers abgekühlt, was zur Erstarrung des thermoplastischen Polymers führt und die Komponenten fest miteinander verbindet. In Abhängigkeit des eingesetzten Polymers, kann eine reaktive Nachvernetzung dazu führen, dass das Polymer seinen thermoplastischen Charakter verliert, wodurch die Temperaturstabilität der fertig gestellten Bauteile 1 verbessert werden kann.
