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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Herstellung eines profilversteiften Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, der ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial aufweist, wobei das vielversteifte Faserverbundbauteil ein flächiges Schalenbauteil und ein oder mehrere hiervon abstehende Profilversteifungen hat, und wobei das Formwerkzeug wenigstens zwei Formwerkzeughälften aufweist.
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Faserverbundbauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind heutzutage kaum mehr wegzudenken. Aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit eignen sich Faserverbundwerkstoffe insbesondere für großskalige Bauteile in der Luft- und Raumfahrt, um das Prinzip Leichtbau vollumfänglich adressieren zu können. Faserverbundwerkstoffe weisen in der Regel zwei wesentliche Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Durch das Aushärten des Matrixmaterials entsteht dabei eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial, sodass die Verstärkungsfasern des Fasermaterials in die vorgegebene Lastrichtung gezwungen werden.
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Bei großflächigen Faserverbundbauteilen, wie beispielsweise Fügelschalen von Verkehrsflugzeugen, die häufig aus einer relativ dünnen Haut in Form eines flächigen Schadenbauteils ausgebildet werden, müssen diese zur Erhöhung der Biegesteifigkeit des Bauteils mit Profilen verstärkt werden. Diese Profilversteifungen, in der Luftfahrt auch Stringer genannt, sind meist T-, H- oder U-Profile, die meist an der Strömungsoberfläche abgewandten Innenseite angeordnet werden und so dem Bauteil in axialer Richtung der Profilversteifungen seine notwendige Biegesteifigkeit verleiht.
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Ein Problem hierbei besteht in der Anordnung der Profilversteifungen während der Herstellung des Faserverbundbauteils. Da das Fasermaterial Verstärkungsfasern in der Ebene aufweist und die Profilversteifungen aus dem schalenförmigen Strukturbauteil abstehen und somit aus der Ebene herausragen, müssen die Profilversteifungen während der Herstellung des profilversteiften Faserverbundbauteils händisch unter großem Aufwand angeordnet werden.
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Hierzu werden die Lagen des Schadenbauteils zunächst manuell oder automatisiert auf einem Formwerkzeug abgelegt. Anschließend werden die Profilversteifungen auf der Haut positioniert. Die Profilversteifungen können dabei bereits ausgehärtet oder vorkonsolidiert sein. In der Praxis findet sich manchmal auch ein Verfahren, bei dem nichtausgehärtete Profilversteifungen auf ein ausgehärtetes Schalenbauteil aufgesetzt werden. Vorteil dieser Verfahren ist, dass ein integrales Bauteil hergestellt werden kann, welches nur wenige zusätzliche Verbindungselemente zum Befestigen der Profilversteifungen (beispielsweise Nieten) benötigt.
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Wie beispielhaft aus der
DE 10 2012 109 231 A1 bekannt ist, werden hierfür nicht selten Werkzeugkerne verwendet, die zwischen die einzelnen Profilversteifungen angeordnet werden, um so die richtige Positionierung und die Abstände der Profilversteifungen zueinander sicherzustellen.
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Es hat sich dabei leider gezeigt, dass in der Praxis auch bei der Verwendung von Werkzeugkernen nach wie vor hohe Positionstoleranzen entstehen, sodass die exakte Positionierung und die exakten Abstände der Profilversteifungen zueinander oftmals nur schwer möglich ist. Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass durch den von außen gesteuerten Wärmeeintrag in das Formwerkzeug, das sich oftmals auch in einem Autoklaven befindet und somit neben einer Temperaturbeaufschlagung auch eine Druckbeaufschlagung erfolgt, das gesamte Formwerkzeug einschließlich der verwendeten Werkzeugkerne der thermischen Ausdehnung unterliegt, wodurch die hohen Positionstoleranzen entstehen. Der Wärmeeintrag ist jedoch zur Herstellung eines Faserverbundbauteils je nach verwendetem Matrixmaterial notwendig, sodass nicht selten Prozesstemperaturen von bis zu 400 Grad realisiert werden müssen.
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Die hohen Toleranzen der Profilversteifungen wirkt sich jedoch nachteilig auf die nachfolgenden Montageschritte aus, da diese Toleranzen ausgeglichen werden müssen. Außerdem ist dies ein Nachteil aus strukturmechanischer Sicht, da die Positionierung und die Abstände der Profilversteifungen notwendige Randbedingungen der Biegesteifigkeit des Bauteils darstellen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Formwerkzeug anzugeben, mit dem die geforderten Positionstoleranzen der Profilversteifungen bei der Herstellung von profilversteiften Schalenbauteilen im hohen Maße sichergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird mit dem Formwerkzeug gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Formwerkzeug zur Herstellung eines profilversteiften Faserverbundbauteils aus einem Faserverbundwerkstoff vorgeschlagen, wobei der Faserverbundwerkstoff ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial hat. Das profilversteifte Faserverbundbauteil weist dabei ein flächiges Schalenbauteil auf, an dem ein oder mehrere abstehende Profilversteifungen angeordnet sind. Derartige Profilversteifungen können dabei beispielsweise ein T-Profil sein, welches dem flächigen Schalenbauteil eine notwendige Biegesteifheit axial zu den Profilversteifungen verleihen soll. Dabei sollen die Profilversteifungen mit dem flächigen Schalenbauteil eine integrale Einheit bilden, sodass die notwendige Festigkeit erreicht wird.
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Das vorgeschlagene Formwerkzeug weist hierfür wenigstens zwei Formwerkzeughälften auf, wobei die erste Formwerkzeughälfte eine erste formgebende Werkzeugoberfläche hat, die zur Herstellung an der ersten Bauteilseite des profilversteiften Faserverbundbauteils ausgebildet ist. Die erste Formwerkzeughälfte weist dabei eine Temperiervorrichtung auf, die zum Temperieren der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche der ersten Formwerkzeughälfte ausgebildet ist. Demzufolge ist die erste Formwerkzeughälfte insbesondere so ausgebildet, dass sie zum autarken Temperieren der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche mit Hilfe der integrierten Temperiervorrichtung vorgesehen ist, sodass zum Temperieren des profilversteiften Faserverbundbauteils keine externe Temperiervorrichtung notwendig wird.
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Die erste formgebende Werkzeugoberfläche der ersten Formwerkzeughälfte ist dabei insbesondere dafür vorgesehen, dem flächigen Schalenbauteil seine spätere Bauteilform zu verleihen, und zwar auf derjenigen Seite, die der Seite mit den Profilversteifungen gegenüberliegt.
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Die zweite Formwerkzeughälfte weist eine Grundplatte mit einer Mehrzahl von Formkernen auf, wobei jeder Formkern mittels eines thermischen Isolators an der Grundplatte befestigt ist. Jeder Formkern ist dabei separat von dem jeweils anderen vorgesehen, wobei insbesondere auch vorgesehen sein kann, dass im nichttemperierten Zustand die Formkerne sich nicht gegenseitig berühren bzw. kontaktieren.
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Jeder Formkern weist dabei eine formgebende Oberfläche auf, die zumindest teilweise dem profilversteiften Schalenbauteil zu einer späteren Bauteilform verleihen soll. Zwischen den benachbarten Formkernen wird dabei durch die formgebende Oberfläche eine Profilkavität für die Profilversteifung des profilversteiften Faserverbundbauteils erzeugt, sodass zwischen zwei Formkernen eingelegtes Fasermaterial später an dem Bauteil eine Profilversteifung bildet. Die Formkerne bilden dabei mit ihren jeweiligen formgebenden Oberflächen gemeinsam eine zweite formgebende Werkzeugoberfläche, um eine zweite Bauteilseite des profilversteiften Faserverbundbauteils mit den Profilversteifungen herzustellen.
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Einer, mehrere oder alle Formkerne können dabei jeweils eine Temperiervorrichtung enthalten, die jeweils in dem Formkern integriert sein kann und zum Temperieren der formgebenden Oberfläche des jeweiligen Formkerns ausgebildet ist. Wie bei der ersten Formwerkzeughälfte und der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche kann so auch mit Hilfe der Formkerne die durch die Formkerne gebildete zweite formgebende Werkzeugoberfläche separat und autark temperiert werden, ohne das es hierfür einen externen Energieeintrag einer externen Wärmequelle bedarf.
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Aufgrund der Anordnung der Formkerne mit Hilfe von thermischen Isolatoren an einer Grundplatte und der gezielten Temperierung der jeweiligen Werkzeugoberfläche durch integrierte Temperiervorrichtungen wird es möglich, dass die zwischen zwei Formkernen gebildeten Profilversteifungen hochgenau positioniert werden können, da sich zwar die Formkerne aufgrund der Temperierung thermisch ausdehnen, aufgrund der thermischen Isolatoren jedoch die Position der Formkerne absolut zur Grundplatte unverändert bleibt, da die Grundplatte einen deutlich geringeren Wärmeeintrag aufgrund der Temperierung des Bauteils erfährt. Da auf eine externe Wärmequelle verzichtet werden kann, indem das Bauteil durch die Temperierung der ersten und der zweiten formgebenden Werkzeugoberfläche direkt temperiert wird, erfährt die Grundplatte eine wesentlich geringere thermische Ausdehnung als die Formkerne oder die erste Werkzeughälfte, sodass die absolute Position der Profilversteifungen in Bezug auf die Grundplatte innerhalb geringer Toleranzen nahezu unverändert verbleibt. Ein, mehrere oder alle Formkerne sind dabei über ihre jeweiligen thermischen Isolatoren mittels eines Festlagers an der Grundplatte befestigt.
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Die Erfinder hatten hierbei erkannt, dass durch eine direkte Temperierung der Formkerne und der ersten Werkzeughälfte in Verbindung mit einer thermisch isolierten Anordnung der Formkerne an einer Grundplatte sowohl ein großflächiges Faserverbundbauteil herstellbar ist, das Profilversteifungen in integraler Bauweise enthält, wobei die Profilversteifungen eine sehr geringe Positionstoleranz aufweisen. Die Erfinder haben darüber hinaus erkannt, dass auf eine Vakuumabdeckung verzichtet werden kann, da mit Hilfe einer Aktuatorvorrichtung (Druck-/Kraftbeaufschlagung) die erste und/oder zweite Formwerkzeughälfte mit einer Kraft in Richtung des Faserverbundbauteils beaufschlagt werden kann, sofern dies notwendig wird, um das gewünschte Faservolumengehalt zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich, wie später noch gezeigt wird, kann das erfindungsgemäße Formwerkzeug auch so ausgebildet sein, dass aufgrund der thermischen Ausdehnung der Formkerne sowie der Formwerkzeughälfte der notwendige Prozessdruck auf das Faserverbundbauteil ausgeübt werden kann.
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Unter einem profilversteiften Faserverbundbauteil wird insbesondere ein Faserverbundbauteil verstanden, das aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist und das als Hauptelement ein flächiges Schalenbauteil hat, welches sich in erster Linie durch eine große flächige Ausdehnung im Verhältnis zur Dicke bzw. Höhe auszeichnet. Des Weiteren befinden sich an dem flächigen Schalenbauteil meist mehrere hiervon abstehende Profilversteifungen, die ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet sind.
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Im eigentlichen Herstellungsprozess können die Profilversteifungen dabei zumindest teilweise schon ausgehärtet sein, was den gesamten Herstellungsprozess vereinfacht. Durch das Anordnen von zusätzlichen Fasermateriallagen kann dann eine integrale Verbindung der Profilversteifungen mit dem flächigen Schalenbauteil hergestellt werden.
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Bei dem Formwerkzeug im Sinne der vorliegenden Erfindung kann es sich insbesondere um ein geschlossenes Formwerkzeug handeln, wodurch die Möglichkeit besteht, auch trockene Fasermaterialien zu verwenden, die nach dem Eindringen des Fasermaterials in das Formwerkzeug in einem Infusionsprozess mit dem Matrixmaterial getränkt werden.
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Demzufolge kommen als Fasermaterial des Faserverbundwerkstoffes für die Herstellung des profilversteiften Faserverbundbauteils neben solchen trockenen Fasermaterialien auch vorimprägnierte Fasermaterialien (Prepregs) in Betracht, bei denen das Fasermaterial bereits mit dem Matrixmaterial vorimprägniert bzw. benetzt ist.
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Durch den Verzicht einer Vakuumfolie bedingt durch eine konstruktive Abdichtung des Formwerkzeuges gegenüber der Umgebungsluft oder aufgrund der Druckbeaufschlagung aufgrund thermischer Ausdehnung kann hier weiterhin der Vorteil erzielt werden, dass gerade in Serienproduktion der Anteil an Einwegmaterialien reduziert werden kann, wodurch in der Produktion Müll eingespart und Kosten reduziert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Temperiervorrichtungen zum Erwärmen und/oder zum Kühlen ausgebildet. Dies betrifft die Temperiervorrichtung in der ersten Formwerkzeughälfte zur Temperierung der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche sowie die einzelnen Temperiervorrichtungen der jeweiligen Formkerne zur Temperierung ihrer jeweiligen formgebenden Oberfläche, um so die aus den Formkernen gebildete zweite formgebende Werkzeugoberfläche temperieren zu können.
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Die Temperiervorrichtungen sind dabei so ausgebildet, dass sie die notwendigen Prozesstemperaturen zum Aushärten des Matrixmaterials so erzeugen können, dass diese Temperatur letztendlich auch in dem in das Formwerkzeug eingebrachten Bauteils realisiert wird. Demzufolge können je nach verwendeten Matrixmaterialien Temperaturen durch die Temperiervorrichtung von 180 Grad bis 400 Grad realisiert werden. Aufgrund der thermischen Isolatoren, über die die Formkerne mit der Grundplatte verbunden sind, kann bei derartigen Prozesstemperaturen, die durch die Temperiervorrichtung der Formkerne realisiert wird, die Grundplatte auf eine Temperatur bis maximal 100 Grad gehalten werden, um so die thermische Ausdehnung der Grundplatte im Prozess zu senken und demzufolge die hochgenaue Positionierung der Profilversteifungen einzuhalten.
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Durch die Möglichkeit des Kühlens kann das nach dem Aushärten des Matrixmaterials hergestellte profilversteifte Faserverbundbauteil schneller entformt werden, da nunmehr die Zeit bis zum Abkühlen der ersten Formwerkzeughälfte sowie der Formkerne reduziert werden kann. Nach dem Abkühlen ziehen sich die Formkerne aufgrund der thermischen Ausdehnung wieder auf ihre Größe bei Raumtemperaturen zurück, wodurch eine Bauteilentformung selbstständig durch Freischrumpfen der Formkerne erfolgt. Aufwendiges Entformen mit der Gefahr von Beschädigungen des hergestellten Bauteils entfällt damit.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Isolator, vorzugsweise mehrere oder alle thermische Isolatoren mit einem ersten Ende an der Grundplatte und mit einem zweiten Ende an ihrem jeweiligen Formkern befestigt, wobei die Befestigungsfläche an dem zweiten Ende kleiner ist als der befestigte Formkern bezogen auf die Ebene parallel zu der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche.
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Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, dass sich die Formkerne in der Ebene parallel zu der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche thermisch ausdehnen können, um so die notwendigen Prozessdrücke beim Temperieren erzeugen zu können.
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Durch das thermische Ausdehnen der Formkerne in der Ebene parallel zu der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche wird hierbei verstanden, dass sich die Formkerne thermisch so ausdehnen, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Formkernen aufgrund der thermischen Ausdehnung reduziert wird. Hierdurch wird die zwischen den Formkernen gebildete Profilkavität, in der die jeweiligen Profilversteifungen durch Einlegen von Fasermaterial gebildet werden sollen, verjüngt werden, wenn die Formkerne temperiert werden. Dadurch kann das notwendige Faservolumengehalt während des Prozesses erreicht werden.
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Um dies zu realisieren, sind die Formkerne an den Isolatoren so angeordnet, dass die thermischen Isolatoren eine thermische Ausdehnung parallel zur Ebene der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche nicht behindert oder unterdrückt, was insbesondere dadurch realisiert werden kann, dass die thermischen Isolatoren nur mit einer sehr kleinen Befestigungsfläche an dem jeweiligen Formkern befestigt sind.
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Gemäße einer Ausführungsform sind demzufolge die Formkerne mit Hilfe der thermischen Isolatoren so an der Grundplatte angeordnet, dass die Profilkavitäten zwischen den Formkernen nach Erreichen der Prozesstemperatur durch Temperieren der Formkerne mittels ihrer jeweiligen Temperiervorrichtungen aufgrund thermischer Ausdehnung zumindest der Formkerne eine vorgegeben Abmessung in mindestens eine Dimension aufweisen.
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Demnach haben die zwischen den Formkernen ausgebildeten Profilkavitäten erst dann ihre schlussendliche Abmessung, wenn die Formkerne auf ihre jeweilige Prozesstemperatur temperiert wurden. Im untemperierten Zustand, beispielsweise bei Raumtemperatur, weisen die Profilkavitäten demgegenüber eine Abmessung auf, die größer ist als die vorgegebene Sollgröße der Profilversteifungen, was sowohl das Einlegen des Fasermaterials bzw. bereits ausgehärteter Profilversteifungen als auch das Endformen nach der Herstellung des Bauteils erleichtert. Darüber hinaus kann jedoch während des Herstellungsprozesses sichergestellt werden, dass die Profilversteifungen sowohl die gewünschte Position an dem Schalenbauteil hat als auch die vorgegebene Sollabmessung aufweist.
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Zwischen der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche und der zweiten formgebenden Werkzeugoberfläche wird neben den Profilkavitäten darüber hinaus auch eine Schalenkavität ausgebildet, in die das Fasermaterial zur Bildung des flächigen Schalenbauteils eingebracht wird. Die zwischen den Formkernen gebildeten Profilkavitäten schließen sich dabei nahtlos an diese Schalenkavität an, wobei die Schalenkavität zusammen mit den Profilkavitäten eine gemeinsame Bauteilkavität für das profilversteifte Faserverbundbauteil bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform hierzu sind die Formkerne derart mittels der thermischen Isolatoren an der Grundplatte angeordnet, dass die Schalenkavität zwischen der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche und der zweiten formgebenden Werkzeugoberfläche nach Erreichen der Prozesstemperatur durch Temperieren der Formkerne mittels ihrer jeweiligen Temperiervorrichtung und durch Temperieren der ersten Formwerkzeughälfte mittels der Temperiervorrichtung aufgrund thermischer Ausdehnung eine vorgegebene Abmessung in mindestens eine Dimension aufweist.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Formkerne sich nicht nur parallel in der Ebene der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche ausdehnen, sondern auch senkrecht dazu, wodurch die Schalenkavität zwischen der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche und der zweiten formgebenden Werkzeugoberfläche verkleinert bzw. verjüngt wird, wenn das Formwerkzeug mit Hilfe der Temperiervorrichtungen entsprechend temperiert wird. Somit kann auch hier sichergestellt werden, dass das flächige Schalenbauteil des profilversteiften Faserverbundbauteils seine vorgegebenen Sollmaße erhält.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Grundplatte ein Material aufweist, welches einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das Material der Formkerne.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zwischen den Formkernen eine Dichtung aus einem elastischen Material vorgesehen ist, welche die Profilkavität gegenüber der Umgebungsatmosphäre abdichtet. Die Dichtung kann dabei derart ausgebildet sein, dass sie erst dann vollständig abdichtet, wenn die Formkerne ihre Prozesstemperatur erreicht haben und sich demzufolge entsprechend thermisch ausgedehnt haben. Denkbar ist aber auch, dass das elastische Material derart vorgesehen ist, dass eine Abdichtung immer erfolgt und die Dichtung letztlich nur die Längenänderung aufgrund der thermischen Ausdehnung kompensiert.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1 - schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Formwerkzeuges im untemperierten Zustand;
- 2 - schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Formwerkzeuges im temperierten Zustand.
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1 zeigt das erfindungsgemäße Formwerkzeug 10, das eine erste Formwerkzeughälfte 11 und eine zweite Formwerkzeughälfte 12 hat. Die erste Formwerkzeughälfte 11 ist dabei das Oberwerkzeug, während die zweite Formwerkzeughälfte 12 das Unterwerkzeug bildet. Die erste Formwerkzeughälfte 11 weist dabei eine erste formgebende Formwerkzeugoberfläche 21 auf, an das ein Fasermaterial zur Herstellung eines profilversteiften Faserverbundbauteils 100 ablegbar ist. Das Fasermaterial, welches auf die erste formgebende Werkzeugoberfläche 21 abgelegt wird, dient dabei zur Bildung des flächigen Schalenbauteils 110 und kann beispielsweise aus vorimprägniertem Fasermaterial (Prepregs) gebildet werden. Prepregs haben hierbei den Vorteil, dass das Fasermaterial auf der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 21 aufgrund seiner Klebrigkeit haftet und somit ein Zusammensetzen des Formwerkzeuges 10 an der ersten Werkzeugoberfläche verbleibt.
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Des Weiteren weist die erste Formwerkzeughälfte 21 eine Temperiervorrichtung 13 auf, die beispielsweise in Form einer elektrischen Widerstandsleistung ausgebildet sein kann. Die Temperiervorrichtung 22 weist hierfür einen in der ersten Formwerkzeughälfte 11 integrierten Heizdraht 23 auf, um so die erste formgebende Werkzeugoberfläche 21 entsprechend temperieren zu können. Durch die Temperierung der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 21 kann dabei das Bauteil 100, insbesondere das flächige Schalenbauteil 110 entsprechend temperiert werden. Die zweite Formwerkzeughälfte 12 weist eine Grundplatte 30 auf, an der eine Reihe von thermischen Isolatoren 31 angeordnet sind. An den thermischen Isolatoren 31 wiederum befinden sich jeweils Formkerne 32, wobei die Grundplatte 30, die thermischen Isolatoren 31 sowie die Formkerne 32 zusammen die zweite Formwerkzeughälfte 12 bilden. Durch die thermischen Isolatoren 31 sind dabei die Formkerne 32 von der Grundplatte 30 beabstandet angeordnet, sodass die Grundplatte 30 durch mögliche Wärmverluststrahlung sich nicht so stark erwärmt.
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Die einzelnen Formkerne 32 weisen dabei eine formgebende Oberfläche 33 auf, wobei alle Formkerne 32 mit ihren formgebenden Oberflächen 33 gemeinsame eine zweite formgebende Werkzeugoberfläche 34 bilden.
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Die formgebenden Oberflächen 33 der einzelnen Formkerne 32 sind dabei so ausgebildet, dass zwischen den einzelnen Formkernen 32 eine Profilkavität 42 gebildet wird, in die das Fasermaterial zur Bildung der Profilversteifungen 120 einlegbar ist. Zwischen der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 21 und den gegenüberliegenden formgebenden Oberflächen 33 der einzelnen Formkerne 32 wird wiederum eine Schalenkavität 41 gebildet, in die das Fasermaterial für das Schalenbauteil 110 sich befindet. Schalenkavität 41 und Profilkavitäten 42 bilden dann gemeinsam eine Bauteilkavität 40.
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Jeder der Formkerne 32 weist im Ausführungsbeispiel der 1 eine Temperiervorrichtung 35 auf, die in Art einer Widerstandsheizung mit Hilfe eines Heizdrahtes 36 ausgebildet sein kann. Hierdurch wird es möglich, dass die einzelnen Formkerne 32 mit Hilfe der jeweiligen Temperiervorrichtungen 35 temperiert werden können, um so die notwendige Prozesstemperatur zu erreichen.
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1 zeigt das Formwerkzeug 10 im geschlossenen Zustand bei Raumtemperatur (ca. 22 Grad) kurz vor Beginn des eigentlichen Temperprozesses. Nachdem nun das Fasermaterial bzw. die Profilversteifungen 120 in die Profilkavitäten 42 eingelegt und die erste Formwerkzeughälfte 11 dann in den geschlossenen Zustand überführt wird, kann mit Hilfe einer Steuereinheit (nicht dargestellt) die jeweiligen Temperiervorrichtungen 22 und 35 so angesteuert werden, dass sich die erste und zweite formgebende Werkzeugoberfläche auf die gewünschte Prozesstemperatur (beispielsweise 180 Grad bis 400 Grad) je nach Matrixmaterial erwärmt. Der daraus resultierende Zustand ist in 2 gezeigt.
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Aufgrund der Erwärmung insbesondere der Formkerne 32 auf die gewünschte Prozesstemperatur führen diese eine thermische Ausdehnung auf, die sowohl in Richtung benachbarter Formkerne 32 als auch in Richtung der ersten formgebenden Werkzeugoberfläche 21 gerichtet ist. Durch die thermische Ausdehnung der Formkerne 32 und ggf. der ersten Formwerkzeughälfte 11 wird ein Druck in Richtung des eingebrachten Fasermaterials ausgeübt, wobei hierdurch die Profilkavitäten 42 sowie die Schalenkavität 41 in ihren jeweiligen Abmessungen verkleinert wird.
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Aufgrund der thermischen Ausdehnung wird dabei das Volumen der Profilkavitäten 42 und ggf. das Volumen der Schalenkavität 41 verkleinert, sodass hierdurch das Fasermaterial, welches insgesamt in der Bauteilkavität 40 eingebracht wurde, komprimiert wird. In der Regel wird dabei das Volumen der gesamten Bauteilkavität 40 verkleinert.
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Bedingt durch die Tatsache jedoch, dass die Formkerne 32 an der Grundplatte 30 über die thermischen Isolatoren 31 fest angeordnet sind, wird die Grundplatte 30 beim Temperieren der Formkerne 32 deutlich geringer erwärmt. Je nach notwendiger Prozesstemperatur erreicht die Grundplatte dabei eine Maximaltemperatur von 22 Grad bis 100 Grad. Die Abstände d der thermischen Isolatoren zueinander verbleibt dabei aufgrund der geringen Erwärmung der Grundplatte 30 gegenüber dem untemperierten Zustand gemäß 1 nahezu unverändert, wodurch sich die Positionen der Formkerne 32 ebenfalls kaum verändern. Hierdurch wird erreicht, dass die Profilversteifungen 120, die links und rechts durch einen jeweiligen Formkern 32 begrenzt sind, ebenfalls ihre Position kaum verändern, wodurch eine besonders niedrige Positionstoleranz bei der Herstellung derartiger profilversteifter Schalenbauteile erreicht werden kann.
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Während sich demzufolge aufgrund der Temperierung die Formkerne 32 thermisch ausdehnen und somit das in der Bauteilkavität 40 befindliche Bauteil 100 komprimieren, verbleiben die absoluten Positionen der Profilkavitäten 42 gegenüber der Grundplatte nahezu unverändert (im Verhältnis zur thermischen Ausdehnung der Grundplatte), sodass trotz Prozesstemperaturen von bis zu 400 Grad hierbei kaum Abweichungen der Positionen der einzelnen Profilversteifungen 120 zu erwarten ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10 -
- Formwerkzeug
- 11 -
- erste Formwerkzeughälfte
- 12 -
- zweite Formwerkzeughälfte
- 21 -
- erste formgebende Werkzeugoberfläche
- 22 -
- Temperiervorrichtung der ersten Formwerkzeughälfte
- 23 -
- Heizdraht der Temperiervorrichtung 22
- 30 -
- Grundplatte
- 31 -
- thermische Isolatoren
- 32 -
- Formkerne
- 33 -
- formgebende Oberfläche der Formkerne
- 34 -
- zweite formgebende Werkzeugoberfläche
- 35 -
- Temperiervorrichtung der Formkerne
- 36 -
- Heizdraht der Temperiervorrichtung 35
- 40 -
- Bauteilkavität
- 41 -
- Schalenkavität
- 42 -
- Profilkavität
- 100 -
- profilversteiftes Faserverbundbauteil
- 110 -
- flächiges Schalenbauteil
- 120 -
- Profilversteifung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012109231 A1 [0006]
