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Die Erfindung betrifft ein Presswerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils.
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Faserverstärkte Kunststoffbauteile weisen eine Faserverstärkung auf, die in eine Kunststoffmatrix eingebunden ist. Als ein wichtiges Verfahren zur Herstellung solcher Kunststoffbauteile hat sich das Nasspressen bewährt. Unter Nasspressen versteht man die Verarbeitung flüssiger Reaktionsharzmassen und Verstärkungsfasern in meist zweiteiligen Presswerkzeugen, die mittels einer Presse geschlossen werden. Hierbei wird ein Faserhalbzeug in Form eines oder mehrerer Faserzuschnitte, z.B. als Vlies, Gewebe oder Gelege, entsprechend einer Formenkontur in das Presswerkzeug eingelegt. Ein noch nicht ausgehärtetes Matrixmaterial, z.B. ein Duromer, wird dem Faserhalbzeug zugegeben. Durch Schließen des Presswerkzeugs in der Presse verteilt sich das Matrixmaterial über den Formenraum, infiltriert das Faserhalbzeug und benetzt die Verstärkungsfasem.
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Das zunächst plattenförmige Faserhalbzeug wird durch die Schließbewegung verformt und in eine dreidimensionale Form überführt. Im Laufe des Schließvorgangs des Presswerkzeugs kommt es - bedingt durch Bereiche im Werkzeug mit höherer und niedrigerer Umformung - zu einer Streckung des Faserhalbzeugs, die jedoch nicht einheitlich ist: Einige Fasern müssen in das Werkzeug einlaufen, andere Fasern müssen zurückgehalten werden, um eine möglichst faltenfreie Verformung des Faserhalbzeug sicherzustellen.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung eine kostengünstige und betriebssichere Möglichkeit aufzuzeigen, wie sich Drapierkräfte am Faserhalbzeug einstellen lassen und die Fertigungsqüalität von faserverstärkten Kunststoffbauteilen gesteigert werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Presswerkzeug nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Presswerkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils aus einem mit Matrixmaterial versehenen Faserhalbzeug angegeben. Das Presswerkzeug weist ein erstes und ein zweites Werkzeugteil auf, welche in einer Schließlage eine entsprechend dem herzustellenden Bauteil geformte Kavität bilden. Die beiden Werkzeugteile sind zueinander öffenbar und schließbar, wobei die Schließbewegung entlang einer Schließachse verläuft. Das Presswerkzeug kann als Presse ausgestaltet sein. Ebenso ist es möglich, dass die beiden Werkzeugteile des Presswerkzeugs in eine Presse eingelegt und durch diese bewegt werden.
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Benachbart zur Kavität bilden die beiden Werkzeugteile einen in Richtung der Schließachse des Werkzeugs verlaufenden Durchzugsspalt für das Faserhalbzeug. Während der Schließbewegung des Presswerkzeugs wird das Faserhalbzeug durch diesen Durchzugsspalt durchgezogen und weiter in das Innere der Kavität nachgezogen. Der Durchzugsspalt kann beispielsweise unmittelbar an die Kavität angrenzen. Ebenso können jedoch zwischen der Kavität und dem Durchzugsspalt noch weitere Abschnitte, wie z.B. Harzfallen oder Stau- oder Dichtkanten vorgesehen sein. Der Durchzugsspalt verläuft in Richtung der Schließachse des Presswerkzeugs. Demgegenüber ist die Erstreckungsrichtung des herzustellenden Bauteils im Wesentlichen quer zur Schließachse des Presswerkzeugs. Durch die Ausrichtung des Durchzugsspalts wird das Faserhalbzeug zwangsläufig umgelenkt. Es muss durch den Durchzugsspalt und um eine Umlenkkante gezogen werden, wodurch zusätzliche Einzugskräfte erzeugt werden. Diese sind u.a. abhängig von der Breite des Durchzugsspaltes, dem Radius an der Umlenkkante sowie dem Umschlingungsgrad. Der mathematische Zusammenhang kann unter Verwendung der bekannten Euler-Eytelwein Formel zur Seilreibung beschrieben werden.
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Der Durchzugsspalt ist gebildet zwischen einem Formstück im ersten Werkzeugteil und einer korrespondierenden Fläche im zweiten Werkzeugteil. Der Durchzugsspalt verläuft also zwischen dem zum ersten Werkzeugteil gehörenden Formstück und einer Fläche im zweiten Werkstück. Das Formstück im ersten Werkzeugteil ist elastisch verformbar ausgebildet, wobei insbesondere eine Dicke des Formstücks derart gewählt ist, dass sich das Formstück durch Aufbringen einer Kraft elastisch verformen lässt. Weiterhin ist an dem Presswerkzeug eine Verstellvorrichtung vorgesehen zur elastischen Verformung des den Durchzugsspalt begrenzenden Formstücks zur Variation der Breite des Durchzugsspalts. Mit anderen Worten kann die Verstellvorrichtung derart auf das Formstück einwirken, dass dieses elastisch verformt wird. Insbesondere kann das Formstück durch Einwirken der Verstellvorrichtung auf die korrespondierende Fläche im zweiten Werkzeugteil zu oder von dieser weg verformt werden, wodurch die Breite des Durchzugsspalts verringert bzw. vergrößert wird.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils mittels eines Presswerkzeugs mit einem ersten und zweiten Werkzeugteil angegeben, welche in der Schließlage eine entsprechend dem herzustellenden Bauteil geformte Kavität begrenzen. Bei dem Verfahren wird ein Faserhalbzeug in das Presswerkzeug eingelegt. Das Faserhalbzeug kann ein oder mehrere Lagen aus Verstärkungsfasern aufweisen. Es können z.B. Gelege, Geflechte, Vliese oder Gewebe verwendet werden. Die Fasern können vorzugsweise als Endlosfasern vorliegen. Es können übliche Verstärkungsfasern wie z.B. Kohlenstoff-, Aramid oder Glasfasern alleine und in Kombination verwendet werden.
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Das Faserhalbzeug kann vor dem Einlegen in das Presswerkzeug mit einem ungehärteten Matrixmaterial, wie z.B. einem Harzsystem, getränkt oder beschichtet sein. Ebenso kann das Matrixmaterial auch auf das Faserhalbzeug aufgetragen werden, wenn dieses bereits im offenen Werkzeug liegt.
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Das Faserhalbzeug liegt zunächst als flächiges und im Wesentlichen ebenes Halbzeug vor. Durch das Verpressen im Presswerkzeug soll das Faserhalbzeug in eine dreidimensionale Form gebracht werden. Hierzu weist die Werkzeugwandung des Presswerkzeug, welche die Kavität begrenzt, eine entsprechende Kontur auf. Vorzugsweise weist die Kavität Bereiche mit einem höheren Umformgrad und einem niedrigeren Umformgrad auf.
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Beim Schließen des Werkzeugs wird nun das Faserhalbzeug zwischen den beiden Werkzeugteilen aufgenommen und mit zunehmender Schließbewegung weiter verformt. Die Verformung führt zu einer Streckung des Fasermaterials und dazu, dass Faserhalbzeug in die Kavität eingezogen wird. Erfindungsgemäß wird nun das Faserhalbzeug durch einen benachbart zur Kavität ausgebildeten und in Richtung der Schließachse des Presswerkzeugs verlaufenden Durchzugsspalt nachgezogen, dessen Breite durch eine elastische Verformung eines den Durchzugsspalt begrenzenden Formstücks mittels einer Verstellvorrichtung des Presswerkzeugs einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird also durch das elastisch verformbare Formstück ein einstellbarer Umlenker bereitgestellt. Im Bereich des Durchzugsspalts wird die Richtung, mit der das Fasermaterial in das Werkzeug eingezogen wird, umgelenkt. Durch Variation der Breite des Durchzugsspaltes lässt sich die Reibkraft, welche das Faserhalbzeug beim Durchzug durch den Spalt erfährt, auf schnelle und einfache Weise anpassen. Hierdurch wird es möglich, die auf das Faserhalbzeug einwirkenden Drapierkräfte auf einfache Art und Weise zu verändern. Gegenüber nicht einstellbaren Umlenkern entsteht der Vorteil, dass sich Werkzeug in einem Bruchteil der Zeit einfahren lassen. Zudem sind Rejustagen nach einer Werkzeuginstandhaltung schnell und einfach möglich. Die einstellbaren Umlenker ermöglichen ebenso eine Anpassung an neues Fasermaterial oder einen geänderten Lagenaufbau im Faserhalbzeug. Die vorgeschlagene Lösung ist besonders einfach und kann ohne Spezialwissen nachgearbeitet werden. Zudem ist die Lösung genauso robust, betriebssicher, kostengünstig harzunempfindlich und materialsparend wie bekannte, feste und nicht einstellbare Umlenker.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Formstück durch einen von dem ersten Werkzeugteil in Richtung auf das zweite Werkzeugteil vorstehenden Steg im ersten Werkzeugteil gebildet. Der Steg steht insbesondere gegenüber einer die Kavität begrenzenden Wandung des ersten Werkzeugteils vor. Der Steg erstreckt sich insbesondere in Richtung der Schließachse des Presswerkzeugs. Ein derartiger Steg wirkt beispielsweise mit einem Seitenwandabschnitt im zweiten Werkzeugteil zusammen. Ein derartiger Steg ist einfach herstellbar und kann einstückig mit dem restlichen Werkzeugteil ausgebildet werden. Alternativ ist es natürlich auch denkbar, den Steg als Einsatz auszubilden, der in das zweite Werkzeugteil eingesetzt wird.
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Die Tiefe, mit der der Steg in Richtung auf das zweite Werkzeugteil vorsteht, wird vorzugsweise derart gewählt, dass das Faserhalbzeug bereits umgelenkt und in dem Durchzugsspalt eingeschlossen ist, bevor es zu einem nennenswerten Einzug des Faserhalbzeugs in die Kavität kommt. Anders gesagt ist das Faserhalbzeug vorzugsweise bereits in dem Durchzugsspalt aufgenommen, bevor das Faserhalbzeug im Rahmen des weiteren Schließvorgangs durch die die Kavität begrenzende Werkzeugwandung verformt wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Tiefe des Stegs deutlich größer, z.B. mindestens 10% größer, als die Ziehtiefe des Bauteils ist.
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Eine einfache und kostengünstige Ausgestaltung sieht vor, dass die Verstellvorrichtung realisiert ist durch ein Lagerteil, welches auf der dem Durchzugsspalt abgewandten Seite des Formstücks im ersten Werkzeugteil vorgesehen ist, sowie mindestens eine Schraube, welche mit ihrem Gewinde durch ein Gewinde im Lagerteil hindurchgeschraubt ist, derart, dass ein Fußabschnitt der Schraube auf das Formstück bzw. den Steg einwirkt. Das Lagerteil ist vorzugsweise ein Abschnitt des ersten Werkzeugteils, welcher mit einem Innengewinde zur Aufnahme des Schraubengewindes versehen ist. Das Lagerteil ist derart stabil ausgebildet, dass die eingeschraubte Schraube sich an ihm abdrücken kann und die zur elastischen Verformung des Steges erforderliche Kraft auf den Steg bzw. das Formteil aufbringen kann. Diese Lösung hat zudem den Vorteil, dass eine Einstellung der Spaltmaße mit Handwerkzeug möglich ist und kein Spezialwerkzeug benötigt wird.
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Um die Drapierkräfte, welche auf das Faserhalbzeug einwirken auf allen Seiten regulieren zu können, ist der Durchzugsspalt in einer Ausgestaltung umlaufend um die gesamte Kavität ausgebildet.
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Die Drapierkräfte lassen sich dabei individualisiert einstellen, wenn umlaufend um die Kavität mehrere Formstücke mit jeweils einer Verstellvorrichtung vorgesehen sind, derart, dass die Formstücke unabhängig voneinander elastisch verformbar sind. So können z.B. an jeder Seite des ersten Werkzeugteils, d.h. längs und quer um die Kavität herum, jeweils ein oder mehrere Formstücke vorgesehen sein. Beispielsweise kann an jeder Seite ein wie oben beschriebener Steg ausgebildet sein. Für jeden Steg kann eine Verstellvorrichtung vorgesehen sein, um den Steg elastisch zu verformen, beispielsweise kann für jeden Steg ein Lagerteil mit einer oder mehreren Schrauben vorgesehen sein.
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Um den Einzug des Faserhalbzeugs insbesondere in den Eckbereich des Werkzeugs regulieren zu können, kann es vorteilhaft sein, wenn die Formstücke derart angeordnet sind, dass sich jeweils zwei Formstücke in einem Eckbereich des ersten Werkzeugteils überlappen.
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Zur individuellen Einstellung der Einzugskräfte in den Eckbereichen können in einer alternativen Ausgestaltung zusätzlich zu den stegförmigen Formstücken jeweils separate Eckelemente als Formteile vorgesehen sein. Hierbei können z.B. vier Eckelemente vorgesehen sein. Jedes Eckelement weist vorzugsweise eine separate Verstellvorrichtung, z.B. wie voranstehend beschrieben, auf und ist unabhängig von den anderen Formstücken elastisch verformbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Presswerkzeugs zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Verfahrens,
- 2 eine partielle Schnittansicht des Presswerkzeugs und
- 3A und 3B eine Draufsicht auf beispielhafte erste Werkzeugteile.
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1 zeigt ein Presswerkzeug 1 mit einem ersten Werkzeugteil 2 und einem zweiten Werkzeugteil 3, welche entlang einer Schließachse S schließbar sind. Im geschlossenen Zustand verbleibt zwischen den Werkzeugteilen eine Kavität 4, welche im Wesentlichen die Form eines herzustellenden Bauteils aufweist.
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Ein Faserhalbzeug 5 wird in das Presswerkzeug 1 eingelegt. Das Faserhalbzeug 5 weist eine oder mehrere Lagen von Verstärkungsfasern auf, die beispielsweise als Geflecht, Gewebe, Gestrick, Vlies o.ä. bekannter Verstärkungsfasern vorliegen können. Auf dem Faserhalbzeug 5 wird eine noch nicht ausgehärtete Kunststoffmatrix 6 aufgebracht, welche im nachfolgenden Verfahren mit dem Faserhalbzeug verpresst und ausgehärtet wird zu einem faserverstärkten Kunststoffbauteil 7.
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Das Faserhalbzeug 5 liegt zunächst als im Wesentlichen ebene Fasermatte vor. Wird nun das Presswerkzeug 1 durch Absenken des ersten Werkzeugteils 2 auf das zweite Werkzeugteil 3 entlang der Schließachse S geschlossen, so wird das Faserhalbzeug 5 im Randbereich des Presswerkzeugs angrenzend an die Kavität 4 umgebogen bzw. umgelenkt und in einem Durchzugsspalt 8 aufgenommen. Der Durchzugsspalt 8 wird gebildet zwischen einem stegförmigen Formstück 9 im ersten Werkzeugteil 2 und einer Seitenfläche 10 des zweiten Werkzeugteils 3. Der Durchzugsspalt 8 verläuft in Richtung der Schließachse S.
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Wird nun das Presswerkzeug 1 weiter bis in die Schließstellung geschlossen, so wird das Faserhalbzeug 5 innerhalb der Kavität 4 durch die Werkzeugwandung verformt. Hierbei kommt es neben einer Streckung der Fasern auch zu einem Fasereinzug von außen in die Kavität. Der Durchzugsspalt 8 bewirkt hierbei eine erhöhte Reibung am Faserhalbzeug und wirkt einem Einzug des Faserhalbzeugs 5 entgegen. Erfindungsgemäß ist die Spaltbreite des Durchzugsspalts variierbar, wie nachfolgend zu 2 beschrieben, wodurch sich die Drapierkräfte schnell einstellen lassen.
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Durch die Schließbewegung des Presswerkzeugs 1 werden die Lagen des Faserhalbzeugs 5 kompaktiert. Das auf das Faserhalbzeug aufgebrachte Matrixmaterial 6 wird durch den Druck und durch eine Temperierung des Werkzeugs verflüssigt und infiltriert das Faserhalbzeug. In der Schließstellung des Presswerkzeugs wird das Matrixmaterial 6 aushärtet und bildet mit dem Faserhalbzeug 5 das faserverstärkte Bauteil 7 aus. Nach dem Aushärten kann das Presswerkzeug 1 geöffnet und das Bauteil entformt werden. Weitere Bearbeitungsschritte wie z.B. ein Beschneiden des Randbereichs können sich anschließen.
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2 zeigt eine Detailansicht des Presswerkzeugs 1 aus 1. Benachbart zur Kavität 4 ist zwischen dem ersten Werkzeugteil 2 und dem zweiten Werkzeugteil 3 der Durchzugsspalt 8 ausgebildet. Der Durchzugsspalt 8 kann direkt an die Kavität 4 angrenzen oder es können - wie in 2 dargestellt - noch weiterer Strukturen wie Staukanten 11, Harzfallen 12 oder Dichtkanten 13 zwischen der Kavität 4 und dem Durchzugsspalt 8 vorgesehen sein.
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Genauer gesagt ist der Durchzugsspalt 8 gebildet zwischen dem Formteil 9 im ersten Werkzeugteil 2 und der Seitenfläche 10 des zweiten Werkzeugteils 3. Das Formteil 9 im ersten Werkzeugteil ist ein Steg, der in Richtung auf das zweite Werkzeugteil 3 vorsteht, insbesondere gegenüber einer, die Kavität begrenzenden Werkzeugwandung 14 des ersten Werkzeugteils 2.
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Zur Variation der Breite B des Durchzugsspalts 8 ist weiterhin eine Verstellvorrichtung 15 vorgesehen, mit der der Steg bzw. das Formteil 9 durch Aufbringen eines Drucks elastisch verformt werden kann. Die Verstellvorrichtung 15 weist einen, parallel zum Steg 9 ausgebildeten und auf der dem Durchzugsspalt 8 abgewandten Seite angeordneten Lagerteil 16 auf. Eine Schraube 17 ist durch ein Durchgangsgewinde im Lagerteil 16 hindurchgeschraubt und endet mit ihrem Fußabschnitt 18 an dem Steg 9. Durch Ein- bzw. Ausschrauben der Schraube 17 relativ zum Lagerteil 16 kann definiert werden, ob der Fußabschnitt 18 in Anlage mit dem Steg 9 kommt und wie groß ein Druck ist, der auf den Steg 9 ausgeübt wird. Der Steg 9 weist eine Dicke D1 auf, die erheblich dünner ist als die Dicke des Lagerteiles D2, so dass durch ein Verspannen der Schraube 17 zwischen Lagerteil 16 und Steg 9, der letztere elastisch verformt wird. Genauer gesagt, kann der Steg 9 durch ein weiteres Eindrehen der Schraube 17 gebogen werden, so dass sich die Breite B des Durchzugsspalts 8 verringert. Die Auslenkung des Stegs 9 ist eine elastische, d.h. der Steg 9 bewegt sich zurück in die in 2 gezeigte Ausgangslage, wenn die Schraube 17 vom Steg 9 zurückgeschraubt wird.
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Zur Festlegung der Einschraubtiefe der Schraube 17 kann auf dem Gewindegang ein Konterteil 19 z.B. in Form einer Kontermutter vorgesehen sein, das sich gegen das Lagerteil 16 spannen lässt und somit ein ungewolltes Verdrehen der Schraube 17 ausschließt.
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Die 3A und 3B zeigen Draufsichten auf das erste Werkzeugteil 2 aus 1 bzw. 2, wobei aus Gründen der Anschaulichkeit die Kontermuttern 19 nicht dargestellt sind.
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Wie aus den 3A und 3B zu erkennen, ist der Durchzugsspalt 8 vorzugsweise über die gesamte Breite der Kavität 4 und die gesamte Länge der Kavität 4 ausgebildet, wodurch das zu verformende Faserhalbzeug bei Einzug ins Presswerkzeug von allen Seiten geführt und mit einer definierten Einzugskraft beaufschlagt werden kann. Die Verstellung der Breite des Durchzugsspalts erfolgt mittels der Verstellvorrichtungen 15A und 15B bzw. 15C bis 15E, wobei jede Verstellvorrichtung 15A bis 15E Schrauben 17 aufweist (es ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Schraube mit Bezugszeichen versehen), die durch das umlaufend um den Durchzugsspalt 8 ausgebildete Lagerteil 16 geschraubt sind und auf den zugeordneten Steg einwirken.
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3A zeigt eine Ausgestaltung, bei der jeweils ein Steg 9A und 9B über die gesamte Länge bzw. Breite der Kavität ausgebildet ist, so dass die Kavität von allen Seiten von Stegen umgeben ist. Jeder dieser Stege 9A, 9B ist über eine Verstellvorrichtung 15A bzw. 15 B in der zu 2 beschriebenen Art elastisch verformbar. Die Verwendung mehrerer Schrauben 17 pro Steg 9A und 9B ermöglicht es, die Breite des Durchzugsspalts 8 entlang des Umfangs der Kavität 4 individuell zu variieren.
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Im Randbereich überlappen sich die Stege 9A und 9B, so dass das Faserhalbzeug 5 auch im Eckbereich zuverlässig geführt wird.
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3B zeigt eine alternative Ausgestaltung, die sich von der zu 3A beschriebenen Ausgestaltung dadurch unterscheidet, dass sich die Stege 9C und 9D nicht über die gesamte Länge bzw. Breite der Kavität 4 erstrecken. Vielmehr enden sie jeweils vor einem Eckbereich des Werkzeugs. Dort sind separate Eckelemente 9E vorgesehen. Zu jedem Eckelement 9E ist eine separate Verstellvorrichtung 15E vorgesehen, die gebildet ist durch das Lagerteil 16 und zwei Schrauben 17, wobei jeweils eine Schraube auf eine Seite des Eckelements 9E einwirken kann. Die Eckelemente, welche als I-förmiger Stege ausgebildet sind, können durch die Einstellung der Einschraubtiefe der Schrauben 17 elastisch in Richtung auf den Durchzugsspalt 8 verformt werden, wodurch die Führung des Faserhalbzeugs in den Eckbereichen separat einstellbar ist.
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Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Presswerkzeug
- 2
- erstes Werkzeugteil
- 3
- zweites Werkzeugteil
- 4
- Kavität
- 5
- Faserhalbzeug
- 6
- Matrixmaterial
- 7
- faserverstärktes Kunststoffbauteil
- 8
- Durchzugsspalt
- 9, 9A - 9E
- Formstück
- 10
- Seitenfläche
- 11
- Staukante
- 12
- Harzfalle
- 13
- Dichtkanten
- 14
- Werkzeugwandung
- 15, 15A - 15E
- Verstellvorrichtung
- 16
- Lagerteil
- 17
- Schraube
- 18
- Fußabschnitt
- 19
- Konterteil
- B
- Breite des Durchzugspalts
- D1
- Dicke des Steges
- D2
- Dicke des Lagerteils
- S
- Schließachse
