DE102018206191A1

DE102018206191A1 - Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen und Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffformteils

Info

Publication number: DE102018206191A1
Application number: DE102018206191.2A
Authority: DE
Inventors: Hubert Burlefinger; Michael Ecker; Horst Mai; Bruno Niesner; Marianne Stache
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2019-10-24

Abstract

Es wird ein Werkzeug (1) zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen vorgeschlagen, mit einem ersten Werkzeugteil (2) und einem zweiten Werkzeugteil (3), wobei mindestens ein Werkzeugteil (2, 3) einen Formbereich (8) zur Aufnahme eines Faserwerkstoffs und Begrenzung einer Kavität (4) zur Ausbildung der Kunststoffformteile aufweist und mindestens ein Werkzeugteil (2, 3) zum Öffnen und Schließen der Kavität (4) durch eine Veränderung des lichten Abstands zwischen den eine gemeinsame Trennebene (10) aufweisenden Werkzeugteilen (2, 3) ausgebildet ist, und zwischen den Werkzeugteilen (2, 3) eine die Kavität (4) im geschlossenen Zustand der Werkzeugteile (2, 3) einfassende Dichtungseinrichtung (7) ausgebildet ist, die von einem den Formbereich (8) einschließenden und im Winkel zur Trennebene ausgebildeten Dichtspalt (9) gebildet ist, wobei das Werkzeug (1) einen vom Formbereich (8) aus betrachtet radial außerhalb des Dichtspalts (9) ausgebildeten Faserwerkstoffzugbereich (26) aufweist, der im Winkel zur Trennebene ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, insbesondere nach dem RTM Verfahren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das RTM (Resin Transfer Moulding) Verfahren ist ein zur serienmäßigen Herstellung von faserverstärkten Bauteilen häufig eingesetztes Fertigungsverfahren. Bei diesem Verfahren wird ein Fasertextil mit Verstärkungsfasern, bei denen es sich beispielsweise um Kohlenstofffasern handeln kann, in eine Kavität eines Formwerkzeugs eingelegt und sodann das Formwerkzeug mit seinem ersten Werkzeugteil und seinem zweiten Werkzeugteil oder Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil geschlossen und nach einer Evakuierung der Kavität Formmasse - bei der es sich um Epoxydharz handeln kann - unter hohem Druck eingebracht. Die Formmasse härtet unter Einwirkung von Wärme und Druck aus und danach wird das Kunststoffformteil nach dem Öffnen des Formwerkzeugs entnommen und beispielsweise an einer vordefinierten Schnittkante zur Beseitigung von überstehendem Faserverbundwerkstoff zur Herstellung des Formteils beschnitten.
Der Faserwerkstoff wird als trockenes Material oder als bereits vorimprägniertes Material in die Kavität des Formwerkzeugs gelegt, was dazu führt, dass der Faserwerkstoff oftmals Materialverwerfungen besitzt, die die Qualität des daraus hergestellten Produkts negativ beeinflussen können.
Um solche Qualitätsprobleme zu vermeiden, ist es anhand der auf die Anmelderin zurückgehenden DE 10 2010 030 009 A1 bereits bekannt geworden, ein Umformverfahren und ein Umformwerkzeug zum Herstellen eines mehrdimensionalen profilierten Vorformlings einzusetzen, welches einen sickenförmigen Durchzugspalt verwendet, um eine von einem außerhalb des Formwerkzeugs angeordneten Spannrahmen gehaltenes Fasermaterial beim Schließen des Formwerkzeugs zu spannen.
Um zu verhindern, dass die Formmasse aus der Kavität austritt, wird die Kavität üblicherweise von einer Dichtung umgeben, die das Austreten von Formmasse über die Dichtung hinaus verhindern soll. Da die Formmasse unter hohem Druck injiziert wird und der Druck in der Kavität während der Verweilzeit der Formmasse in der Kavität beim sogenannten Nachdruck noch steigt, wandert das nicht ausgehärtete Matrixharz zur Dichtung und benetzt diese.
Je nach verwendetem Material für die Dichtung kann diese mehr oder weniger lang verwendet werden, bevor sie aufgrund von anhaftendem Matrixmaterial unbrauchbar wird und ausgetauscht werden muss. Die Standzeit der Dichtung hängt also vom verwendeten Material ab, sodass eine Polymerdichtung oftmals früher ausgetauscht werden muss als eine Dichtung aus einem Metallwerkstoff.
Zur Beseitigung des Problems der verringerten Standzeit der Dichtung ist es anhand der auf die Anmelderin zurückgehenden, unveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2017 205 843.9 bekannt geworden, ein Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen einzusetzen, welches auf eine Polymerdichtung oder eine aus einem Metallwerkstoff gefertigte und in eine Nut des Werkzeugs eingesetzte separate Dichtung verzichtet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das von der Anmelderin bereits geschaffene und ohne eine separate Dichtung arbeitende Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen so weiterzubilden, dass damit gleichzeitig Kunststoffformteile von hoher Qualität geschaffen werden können, bei denen das Problem der Materialverwerfungen beseitigt oder wesentlich reduziert ist.
Gleichzeitig soll ein Verfahren zur Herstellung eines mehrdimensionalen faserverstärkten Kunststoffformteils unter Verwendung des zu schaffenden Werkzeugs bereitgestellt werden.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich des Werkzeugs die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Darüber hinaus weist die Erfindung zur Lösung der Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale auf, eine vorteilhafte Ausführungsform hiervon ist im weiteren Anspruch angegeben.
Die Erfindung schafft ein Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, insbesondere nach dem RTM Verfahren, mit einem ersten Werkzeugteil und einem zweiten Werkzeugteil, wobei mindestens ein Werkzeugteil einen Formbereich zur Aufnahme eines Faserwerkstoffs und Begrenzung einer Kavität zur Ausbildung der Kunststoffformteile aufweist und mindestens ein Werkzeugteil zum Öffnen und Schließen der Kavität durch eine Veränderung des lichten Abstands zwischen den eine gemeinsame Trennebene aufweisenden Werkzeugteilen ausgebildet ist und zwischen den Werkzeugteilen eine die Kavität im geschlossenen Zustand der Werkzeugteile einfassende Dichtungseinrichtung ausgebildet ist, die von einem den Formbereich einschließenden und im Winkel zur Trennebene ausgebildeten Dichtspalt gebildet ist, wobei das Werkzeug einen vom Formbereich aus betrachtet radial außerhalb des Dichtspalts ausgebildeten Faserwerkstoffzugbereich aufweist, der im Winkel zur Trennebene ausgebildet ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird das bereits auf die Anmelderin zurückgehende Werkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen insbesondere dadurch weitergebildet, dass das verbesserte Werkzeug einen vom Formbereich aus betrachtet radial außerhalb des Dichtspalts ausgebildeten Faserwerkstoffzugbereich aufweist, der im Winkel zur Trennebene ausgebildet ist.
Wird der Faserwerkstoff, bei dem es sich um einen trockenen Faserwerkstoff oder auch um einen beispielsweise mit einem Bindemittel vernetzten Werkstoff handeln kann, in die Kavität des Werkzeugs oder Formwerkzeugs gelegt, so weist der Faserwerkstoff über den späteren Produktbeschnittrand in Richtung nach außerhalb der Kavität des Formwerkzeugs liegende Bereiche auf, die sich bis in den Erfassungsbereich des Faserwerkstoffzugbereichs des Werkzeugs erstrecken.
Der in die Kavität eingelegte Faserwerkstoff liegt also beispielsweise an einer Formfläche des unteren oder zweiten Werkzeugteils auf und beim Schließen des Formwerkzeugs durch beispielsweise eine Bewegung des ersten oder oberen Werkzeugteils auf das untere Werkzeugteil zu, kommt eine am oberen Werkzeugteil ausgebildete und mit der Formfläche des unter den Werkzeugteils zusammenarbeitende Formfläche mit dem Faserwerkstoff in Kontakt, sodass der Faserwerkstoff zwischen den beiden Formflächen geklemmt wird und bei einer weiteren Zustellbewegung des oberen Werkzeugteils auf das untere Werkzeugteil zu, der Faserwerkstoff gespannt oder glatt gezogen wird.
Hierzu wird der Faserwerkstoff bei der weiteren Zustellbewegung unter Zugspannung gesetzt, welche dafür sorgt, dass sich die Zugspannung aus dem Bereich zwischen den beiden Formflächen des Faserwerkstoffzugbereichs in Richtung zur Kavität fortsetzt, sodass einerseits Materialverwerfungen des Faserwerkstoffs dadurch geglättet werden, dass der Faserwerkstoff aus der Kavität heraus glatt gezogen wird und aufgrund der zwischen den beiden Formflächen des Faserwerkstoffzugbereichs ausgebildeten Klemmwirkung nicht aus dem Bereich zwischen den Formflächen heraus gezogen werden kann, sodass die Zustellbewegung des oberen Werkzeugteils relativ zum unteren Werkzeugteil also dafür sorgt, dass der Faserwerkstoff aus dem Bereich zwischen den Formflächen nicht in Richtung zur Kavität nachrutschen kann, sondern der Faserwerkstoff durch die Zustellbewegung bis in den Bereich der Kavität unter Zugspannung gesetzt wird, also glatt gezogen wird, sodass die Materialverwerfungen ausgeglichen werden.
Der zum Glätten des Faserwerkstoffs vorgesehene sogenannte Faserwerkstoffzugbereich ist also ein am Werkzeug vorgesehener Bereich, der zur Beaufschlagung des in der Kavität befindlichen Faserwerkstoffs mit einer Zugkraft vorgesehen ist derart, dass sich die Zugkraft vom Faserwerkstoffzugbereich ausgehend bis in den Bereich der Kavität fortsetzt und so Materialverwerfungen des Faserwerkstoffs geglättet werden.
Wird dann bei geschlossenem Werkzeug Matrixharz in die Kavität injiziert, trifft das Matrixharz auf einen glatt gezogenen oder gespannten Faserwerkstoff, sodass das so gefertigte Kunststoffformteil von hoher Qualität ist und keine Materialverwerfungen im strukturellen Aufbau besitzt.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Faserwerkstoffzugbereich von im Abstand zueinander ausgebildeten Formflächen gebildet ist, welche am ersten und zweiten Werkzeugteil angeordnet sind und ein zwischen den Formflächen im rechten Winkel zu den Formflächen bestimmter Abstand kleinergleich einem Abstand ist, der im rechten Winkel zwischen den Dichtspalt ausbildenden Dichtspaltformflächen bestimmt ist.
Die einander zugeordneten Formflächen des Faserwerkstoffzugbereichs bilden also einen Bereich aus, der den Faserwerkstoff zwischen den Formflächen klemmt, sodass der Faserwerkstoff bei der Bewegung der Werkzeugteile aufeinander zu ab einem bestimmten lichten Abstand im rechten Winkel zwischen den Formflächen nicht mehr aus dem Klemmbereich zwischen den Formflächen heraus gleiten kann, da die über die Klemmkraft wirkende Normalkraft auf den Faserwerkstoff dafür sorgt, dass eine das Herausgleiten des Faserwerkstoffs aus dem Klemmgriff zwischen den Formflächen verhindernde, ausreichend hohe Haftreibung entsteht.
Bei einer weiteren Relativbewegung zwischen den beiden Werkzeugteilen mit zwischen den Formflächen befindlichem Faserwerkstoff gleitet also der Faserwerkstoff nicht aus dem Klemmgriff heraus, die weitere Relativbewegung sorgt aber dafür, dass der zwischen der Kavität und den Formflächen befindliche Faserwerkstoff gespannt wird, wodurch Falten oder ganz allgemein Materialverwerfungen im Faserwerkstoff reduziert oder aufgehoben werden.
Der im Spalt zwischen den Formflächen des Faserwerkstoffzugbereichs festzustellende Abstand ist daher immer geringer als der Abstand zwischen den Dichtspaltformflächen im Dichtspalt, sodass die Relativbewegung der Werkzeugteile den Faserwerkstoff zwar aus dem Dichtspaltbereich ziehen kann, nicht aber aus dem Formflächenspaltraum des Faserwerkstoffzugbereichs, sodass der Faserwerkstoff durch die Relativbewegung der Werkzeugteile gespannt wird und sich die Materialverwerfungen des Faserwerkstoffs reduzierende Zugspannung vom Formflächenspaltraum in Richtung zur Kavität fortsetzt.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Faserwerkstoffzugbereich eine zwischen einer Formfläche und einer dazu benachbarten Fläche des die Formfläche aufweisenden Werkzeugteils ausgebildete Schnittkante oder Zugkante aufweist. Es bedeutet dies mit anderen Worten, dass die Formfläche im Bereich der Schnittkante oder Zugkante in die benachbarte Fläche übergeht, bei der es sich beispielsweise um eine im oberen Werkzeugteil ausgebildete, horizontal verlaufende Fläche handelt.
Die Relativbewegung der beiden Werkzeugteile sorgt daher dafür, dass der Faserwerkstoff bei der Relativbewegung mittels der Schnittkante oder Zugkante in Richtung nach unten gezogen wird und so mit Zugspannung beaufschlagt wird, die sich vom Klemmbereich zwischen den Formflächen in Richtung zur Kavität fortsetzt und so der Faserwerkstoff ausgehend von der Schnittkante mit Zugspannung beaufschlagt wird und auf diese Weise Materialverwerfungen aus dem Faserwerkstoff herausgezogen werden.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Dichtspaltformflächen bei geschlossener Kavität einander gegenüberliegend und zur Trennebene jeweils im gleichen oder unterschiedlichen Winkel angeordnet sind.
Zur Bildung des Dichtspalts sind also an dem ersten und dem zweiten Werkzeugteil jeweils Formflächen ausgebildet, die bei geschlossener Kavität einander zugeordnet sind und im Falle des gleichen Winkels relativ zur Trennebene parallel zueinander laufen und im Falle unterschiedlicher Winkel in einer Querschnittsansicht beispielsweise eine dreieckförmige Konfiguration oder eine Konfiguration ähnlich einer sich verjüngenden Flagge besitzen, sodass der Strömungswiderstand im Dichtspalt mit zunehmender Eindringtiefe der Formmasse in den Dichtspalt immer größer wird, bis die Strömungsbewegung der Formmasse im Dichtspalt letztlich zum Erliegen kommt.
An der Trennebene gelangen die beiden Werkzeugteile oder Werkzeughälften aneinander zur Anlage oder befinden sich im Abstand zueinander angeordnet und der Dichtspalt verläuft im Winkel zur Trennebene. Im Winkel zur Trennebene bedeutet dabei, dass der Winkel von etwa 0 Grad bis etwa 180 Grad betragen kann, der Dichtspalt also bei einem Winkel von 0 Grad von Flächenbereichen des ersten und zweiten Werkzeugteils zueinander gebildet ist, die in einem so geringen Abstand zueinanderstehen, dass sie gleichsam eine Quetschfläche ausbilden und somit der Formmasse gegenüber einen hohen Strömungswiderstand ausbilden, der so hoch sein kann, dass die Formmasse zwar in einen Teilbereich der Quetschfläche noch eindringen kann, ihr Fließ- oder Strömungsvermögen aber in Abhängigkeit der Viskosität der Formmasse im Bereich der Quetschfläche zum Erliegen kommt und somit ein vollständiges Durchströmen oder Durchfließen der Quetschfläche vermieden wird.
Bei einem Winkel von 90 Grad stößt die Formmasse gleichsam auf eine senkrechte Wand und kommt zum Erliegen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Winkel des Dichtspalts etwa 65 Grad, wobei der Winkel in Abhängigkeit des Fließvermögens der Formmasse und/oder des Drucks in der Kavität der Formmasse, der auch vom Nachdruck für das Bauteil abhängt, verändert werden kann. Je höher der Winkel gewählt wird, desto länger wird der Weg, den die Formmasse zum Durchströmen des Dichtspalts zurücklegen müsste und desto höher wird der Widerstand, den der Dichtspalt der Durchströmung entgegensetzt.
Bei einem Winkel größer 90 Grad besitzt der Dichtspalt relativ zur Y-Achse eines in den Dichtspalt gelegten virtuellen kartesischen Koordinatensystems mit x und y Achsen lediglich eine andere Orientierung zur Y-Achse, so dass ein 65 Grad Winkel dem Betrag nach einem 135 Grad Winkel entspricht und der Dichtspalt von der Y-Achse aus betrachtet nach links geneigt ist und nicht nach rechts, wie dies bei einem 65 Grad Winkel der Fall ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mindestens eines der Formteile benachbart zum Dichtspalt eine Nut zur Aufnahme von Matrixharz aufweist. Diese als Aufnahmenut für Formmasse dienende Nut wirkt gleichsam als Harzfalle, sodass das aus der Kavität ausströmende Harz einen Aufnahmeraum vorfindet, in welchem es bereits für eine vorbestimmte Zeitdauer verbleibt und somit aufgrund des dort bereits eingeleiteten Vorgangs des Aushärtens an Fließvermögen verliert.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass im Bereich zwischen dem Dichtspalt und dem Formbereich eine entlang der Trennebene verlaufende erste Dichtfläche oder ein Dichtflächenbereich ausgebildet ist. Dieser Dichtflächenbereich entspricht also einem entlang der Trennebene verlaufenden Bereich, der beispielsweise von zwei Formflächen ausgebildet wird, von denen jeweils eine erste Formfläche am ersten Werkzeugteil und eine zweite Formflächen am zweiten Werkzeugteil ausgebildet ist und sich die beiden Formflächen bei geschlossener Kavität einander gegenüberliegend angeordnet befinden, wodurch in Abhängigkeit des Abstands zwischen den beiden Formflächen bereits ein erster Dichtbereich ausgebildet ist, der dem völlig freien Durchströmen der Trennebene durch die Formmasse eine erste Widerstandszone entgegensetzt.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass im Bereich außerhalb des Dichtspalts vom Formbereich aus betrachtet eine entlang der Trennebene verlaufende zweite Dichtfläche ausgebildet ist. Diese zweite Dichtfläche oder der zweite Dichtflächenbereich kann ähnlich wie der erste Dichtflächenbereich von zwei Formflächen ausgebildet werden, von denen sich jeweils eine am ersten Werkzeugteil und am zweiten Werkzeugteil angeordnet befindet, sodass die beiden Formflächen bei geschlossener Kavität einander gegenüber liegen und den zweiten Dichtflächenbereich ausbilden. Damit wird eine zweite Dichtfläche in der Form einer Quetschfläche geschaffen, welche für den Fall, dass Formmasse den Dichtspalt durchdringen sollte, als zusätzliche Einrichtung zum Stoppen der Bewegung der Formmasse dient.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass der Formbereich wenigstens abschnittsweise von einem Aufnahmeraum für Fasermaterial umgeben ist. Ein solcher Aufnahmeraum kann den Formbereich der Kavität auch an allen Seiten umgeben, sodass eine Fasermatte oder eine Preform oder ein flächiges Textilgebilde mit Verstärkungsfasern auf das untere Werkzeugteil eingelegt werden kann und die äußeren Endbereiche des Textils in dem Aufnahmeraum zu liegen kommen und dort als trockene Fasern während des Fertigungsprozesses des Kunststoffformteils verbleiben. Dieser Aufnahmeraum wirkt gleichsam als weitere Harzfalle mit trockener Faser, da die Formmasse aufgrund der vorstehend geschilderten Dichtungsmaßnahmen nicht bis in den Aufnahmeraum vordringen kann.
Schließlich kann nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Werkzeugs der Formbereich außerhalb des Aufnahmeraums wenigstens abschnittsweise von einer elastischen Dichtungseinrichtung umgeben sein.
Wie es vorstehend bereits erläutert wurde, ist der zwischen den Formflächen im rechten Winkel zu den Formflächen bestimmte Abstand des Faserwerkstoffzugbereichs kleinergleich einem Abstand, der im rechten Winkel zwischen den Dichtspaltformflächen vorgesehen ist. Diese Konfiguration führt auch dazu, dass der den Faserwerkstoff beaufschlagende Klemmbereich zwischen den Formflächen als weiterer Dichtspalt gegen das Austreten von Formmasse im Formwerkzeug in Richtung nach außen wirkt. Der Faserwerkstoffzugbereich besitzt daher eine vorteilhafte Doppelfunktionalität, nämlich die Beaufschlagung des Faserwerkstoffs mit einer Zugkraft, die für die Ausbildung von Zugspannung im Faserwerkstoff sorgt, die sich in Richtung zur Kavität fortsetzt und so Materialverwerfungen im Faserwerkstoff beseitigt und die weitere Funktionalität der Ausbildung einer Dichtwirkung gegen das Austreten von Formmasse über den Faserwerkstoffzugbereich hinaus in Richtung zum Außenbereich des Werkzeugs.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung eines mehrdimensionalen faserverstärkten Kunststoffformteils, bei dem ein Faserwerkstoff in eine Kavität eines Werkzeugs eingebracht wird und die Kavität durch eine Relativbewegung zwischen einem ersten Werkzeugteil und einem zweiten Werkzeugteil des Werkzeugs geschlossen wird und Matrixharz in einen den Faserwerkstoff aufnehmenden Formbereich der Kavität eingebracht wird, wobei der Faserwerkstoff zumindest während eines Teilabschnitts der Relativbewegung mittels einer zwischen zwei benachbarten Flächen eines Werkzeugteils ausgebildeten Kante oder Zugkante mit Zugkraft beaufschlagt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also mit einer Kante, die zwischen zwei benachbarten Flächen eines Werkzeugteils ausgebildet wird, eine Zugkraft auf den Faserwerkstoff aufgebracht, der auf diese Weise unter Zugspannung gesetzt wird, die dafür sorgt, dass Verformungen und/oder Verwerfungen und/oder Falten aus dem Faserwerkstoff herausgezogen werden und der Faserwerkstoff zumindest abschnittsweise gestrafft oder geglättet wird.
Die Zugkraftbeaufschlagung des Faserwerkstoffs erfolgt dabei derart, dass der Faserwerkstoff im Bereich zwischen der Kante und dem Formbereich der Kavität mit Zugspannung beaufschlagt wird und mit fortschreitender Relativbewegung der Werkzeugteile aufeinander zu der Faserwerkstoff zumindest abschnittsweise gestrafft wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine Teilschnittansicht durch das erste und zweite oder obere und untere Werkzeugteil mit einem dazwischen angeordneten Faserwerkstoff in einer schematischen Darstellung.
Das Werkzeug 1 weist ein erstes oder oberes Werkzeugteil 2 und ein zweites oder unteres Werkzeugteil 3 auf. Das Werkzeug 1 weist eine Kavität 4 auf, in der die Kunststoffformteile ausgebildet werden können und zwar durch Injektion einer nicht näher dargestellten Formmasse in der Form von beispielsweise Epoxydharz in die Kavität 4, in der sich als Faserwerkstoff ein schematisch dargestelltes Fasertextil 5 in der Form eines Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern aufweisenden Gesticks angeordnet befindet.
Zum Einlegen des Fasertextils oder Faserwerkstoffs 5 in die Kavität 4 wird das obere Werkzeugteil 2 in Richtung des Pfeils 6 so weit angehoben, dass das trockene Fasermaterial oder die Preform in die Kavität 4 eingelegt werden kann. Sodann wird das obere Werkzeugteil 2 wieder in Richtung des unteren Werkzeugteils 3 auf das Fasertextil 5 abgesenkt und Epoxydharz unter einem hohen Druck mittels eines nicht näher dargestellten Injektors in die Kavität 4 eingetragen.
Um die Verteilung des Epoxydharzes über das gesamte Fasermaterial zu erreichen, wird während des Injektionsvorgangs das obere Werkzeugteil 2 geringfügig um beispielsweise 0,5 bis 0,8 mm angehoben, sodass der der Fließbewegung des Epoxydharzes in der Kavität 4 entgegenwirkende Strömungswiderstand geringfügig verringert wird, um die vollständige Durchtränkung des Fasertextils 5 mit Formmasse zu erreichen.
Nach einer vorbestimmten Zeitdauer wird das obere Werkzeugteil 2 zur Verbesserung der Verteilung der Formmasse wieder in Richtung auf das untere Werkzeugteil 3 abgesenkt, wodurch natürlich der Druck in der Kavität 4 ansteigt. Sowohl während des Injektionsvorgangs als auch während und nach der Erzeugung des Nachdrucks durch das Absenken des ersten oder oberen Werkzeugteils 2 neigt die Formmasse dazu, die Kavität 4 in Richtung aus der Kavität heraus zu verlassen.
Das Problem eines unerwünschten Austretens von Formmasse aus der Kavität 4 wird bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug 1 durch eine Dichtungseinrichtung 7 vermieden, die einen Formbereich 8 einschließenden Dichtspalt 9 aufweist.
Das obere Werkzeugteil 2 und das untere Werkzeugteil 3 weisen eine gemeinsame Trennebene 10 auf, und ein Dichtspalt 9 ist in einem Winkel 11 relativ zur Trennebene 10 angeordnet, wobei bei der dargestellten Ausführungsform der Winkel 11 etwa 65 Grad beträgt. Über eine Veränderung des Winkels 11 kann die Länge des Dichtspalts 9 entlang der Dichtlinie 12 geändert werden und so beispielsweise an die Viskosität der verwendeten Formmasse angepasst werden.
Darüber hinaus kann auch über eine Veränderung des Abstands senkrecht zur Dichtlinie 12 zwischen der Formfläche oder Dichtspaltformfläche 13 des oberen Werkzeugteils 2 und der Formfläche oder Dichtspaltformfläche 14 des unteren Werkzeugteils 3 der Strömungswiderstand entlang des Dichtspalts 9 eingestellt werden. Die Formflächen oder Dichtspaltformflächen 13 und 14 bilden also den Dichtspalt 9 aus und liegen bei geschlossener Kavität 4 bei der dargestellten Ausführungsform im jeweils gleichen Winkel, der dem Winkel 11 entspricht, relativ zur Trennebene 10 vor, liegen also parallel zueinander und bilden den Dichtspalt 9 aus.
Das Werkzeug 1 weist bei der dargestellten Ausführungsform eine zum Dichtspalt 9 benachbarte Nut 18 zur Aufnahme von Matrixharz oder Formmasse auf. Die aus der Kavität 4 in Richtung nach außen austretende Formmasse durchtränkt das Fasertextil 5 über eine Linie 16 nach außen hinaus, die die Linie für den späteren Produktbeschnitt darstellt.
Die Formmasse trifft auf ihrem Weg aus der Kavität 4 in Richtung nach außen jenseits der Produktbeschnittlinie 16 auf einen ersten Dichtbereich 17, der von einer in Richtung oder entlang der Trennebene 10 verlaufenden ersten Dichtfläche 18 ausgebildet wird, die sich zwischen einer oberen Formfläche 19 des oberen Werkzeugteils 2 und einer unteren Formfläche 20 des unteren Werkzeugteils 3 ausbildet.
Die beiden Formflächen 19, 20 liegen bei geschlossener Kavität 4 auf dem Fasertextil 5 auf und quetschen dieses. Dadurch wird bereits eine Dichtwirkung erzielt, welche ein übermäßiges Austreten von Formmasse in Richtung des Pfeils 21 nach außen unterbindet.
Die erste Dichtfläche 18 überwindendes Epoxydharz tritt auf seinem Weg in Richtung des Pfeils 21 in die Nut 15 ein, die als Überlaufbereich dient und somit bereits Formmasse aufnimmt, welche auf ihrem Weg in Richtung des Pfeils 21 eine Aushärtung erfährt, wodurch das Strömungsvermögen des Epoxydharzes und damit die Fließbewegung in Richtung des Pfeils 21 langsam abnimmt.
Sodann trifft das Epoxydharz auf seinem Weg in Richtung des Pfeils 21 auf den engen Dichtspalt 9, der ein Strömungshindernis mit hohem Strömungswiderstand darstellt, wodurch die Fließbewegung des Epoxydharzes in Richtung des Pfeils 21 je nach Einstellung der Prozessparameter bereits zum erliegen kommt. Dadurch wird ein weiteres Austreten des Epoxydharzes in Richtung des Pfeils 21 aus der Kavität 4 heraus verhindert.
Für den Fall, dass Epoxydharz den Dichtspalt 9 überwinden sollte, was beispielsweise bei einem Anlaufen des Produktionsvorgangs und einer adaptiven Einstellung der Prozessparameter der Fall sein kann, ist eine parallel zur Trennebene 10 verlaufende zweite Dichtfläche 22 vorgesehen, die zwischen einer oberen Formfläche 23 des ersten Werkzeugteils 2 und einer unteren Formfläche 24 des unteren Werkzeugteils 3 ausgebildet ist. Das Epoxydharz erfährt auf seiner Bewegung in Richtung des Pfeils 21 eine weitere Aushärtung, wird also zähflüssiger, sodass der von der zweiten Dichtfläche 22 ausgebildete Strömungswiderstand das unerwünschte Austreten von Epoxydharz aus dem Formbereich 8 heraus weiter reduziert.
Wie es vorstehend bereits geschildert wurde, wird der Faserwerkstoff zu Beginn des Herstellungsverfahrens des Kunststoffformteils in die Kavität 4 des geöffneten Werkzeugs 1 eingelegt. Bei dem herzustellenden Kunststoffformteil handelt es sich um ein mehrdimensionales Produkt, welches also nicht nur in einer gedachten, horizontal verlaufenden X, Y Ebene eine Erstreckung besitzt, sondern auch in Richtung der senkrecht dazu verlaufenden Z Richtung eine Erstreckung besitzt, also bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform in einer Richtung senkrecht zur gemeinsamen Trennebene 10 des Werkzeugs 1.
Der in den Formbereich 8 eingelegte Faserwerkstoff besitzt aufgrund seiner Anordnung im mehrdimensionalen ausgebildeten Formbereich 8 schon nach dem Einlegen in die Kavität 4 eine mehrdimensionale Konfiguration, da er sich aber bei der geöffneten Werkzeugform noch nicht an die die Kavität 4 begrenzenden Werkzeugflächen des Werkzeugs 1 angepasst hat, weist er eine Vielzahl von Materialverwerfungen in der Form von Falten, Ondulierungen und dergleichen auf, die das spätere Kunststoffformteil hinsichtlich der Oberflächengüte negativ beeinflussen würden.
Um dies nun zu vermeiden, besitzt das erfindungsgemäße Werkzeug 1 einen Faserwerkstoffzugbereich 26, der in der Zeichnung innerhalb des gestrichelt dargestellten Bereichs 25 dargestellt ist.
Der Faserwerkstoffzugbereich 26 weist im lichten Abstand zueinander angeordnete Formflächen 27, 28 auf, welche einen senkrecht auf den beiden Formflächen 27, 28 bestimmten Abstand „A“ aufweisen, der geringer ist als ein im rechten Winkel zu den beiden Dichtspaltformflächen 13, 14 bestimmter Abstand „B“.
Diese Konfiguration sorgt dafür, dass beim Schließen des Werkzeugs 1 durch beispielsweise das Absenken des oberen Werkzeugteils 2 in Richtung zum unteren Werkzeugteil 3, nachdem der Faserwerkstoff in den Formbereich 8 gelegt wurde, der Faserwerkstoff zwischen den beiden Formflächen 27, 28 bereits geklemmt wird, bevor das Werkzeug 1 vollständig geschlossen ist.
Ein nach dem Klemmen des Faserwerkstoffs 5 zwischen den beiden Formflächen 27, 28 im Faserwerkstoffzugbereich 26 erfolgendes weiteres Absenken des Werkzeugteils 2 in Richtung des Pfeils 29 auf das Werkzeugteil 3 zu führt dazu, dass der Faserwerkstoff aus dem zwischen den beiden Formflächen 27, 28 gebildeten Klemmbereich 30 nicht herausgezogen werden kann, also nicht in Richtung zur Produktbeschnittlinie 16 verlagert werden kann, sondern durch die zwischen der Formfläche 28 und der benachbart dazu angeordneten Formfläche 32 ausgebildete Schnittkante oder Zugkante 31 unter Zugspannung gesetzt wird.
Diese Zugspannung setzt sich vom Klemmbereich 30 ausgehend in Richtung zur Produktbeschnittlinie 16 fort, was dazu führt, dass der Faserwerkstoff zwischen dem Klemmbereich 30 und dem Formbereich der Kavität 4, in welchem der Faserwerkstoff noch nicht zwischen den beiden Werkzeugteilen 2, 3 geklemmt ist, gespannt oder gestrafft wird. Dieser noch nicht zwischen den Werkzeugteilen 2, 3 geklemmte Bereich erstreckt sich vom Klemmbereich 30 bis in den Bereich der Zeichnungsebene rechts von der Produktbeschnittlinie 16, sodass der Faserwerkstoff 5 bis weit in den Bereich der Kavität 4 rechts von der Produktbeschnittlinie 16 mit Zugspannung beaufschlagt wird, also gespannt oder gestrafft wird, was dazu führt, dass die vorstehend genannten Falten, Materialverwerfungen oder ganz allgemein Ondulierungen im Faserwerkstoff 5 deutlich verringert oder beseitigt werden.
Das Werkzeug 1 kann einen den Formbereich 8 vollständig einschließenden Faserwerkstoffzugbereich 26 besitzen, was dazu führt, dass der in die Kavität 4 eingelegte Faserwerkstoff 5 beim Absenken des oberen Werkzeugteils 2 auf das untere Werkzeugteil 3 im gesamten Erfassungsbereich des Faserwerkstoffzugbereichs 26 geklemmt wird und sodann beim weiteren Absenken des oberen Werkzeugteils 2 auf das untere Werkzeugteil 3 im gesamten Bereich der Kavität 4 innerhalb des umlaufenden Faserwerkstoffzugbereichs 26 unter Zugspannung gesetzt wird, also innerhalb der gesamten Kavität 4 gespannt wird, also innerhalb des gesamten Bereichs der späteren Produktbeschnittlinie 16.
Da der Faserwerkstoff im Bereich der Faserwerkstoffzugbereichs zwischen den Formflächen geklemmt wird, wirkt der Faserwerkstoffzugbereich gleichzeitig als Dichtfläche gegen das Austreten von Formmasse aus der Kavität in Richtung nach außen. Da sich der Faserwerkstoffzugbereich von der zweiten Dichtfläche aus betrachtet zusätzlich in Richtung nach oben gerichtet erstreckt, führt diese Konfiguration zur Ausbildung eines weiteren Strömungswiderstands gegen die sich ausbreitende Formmasse. Die Dichtwirkung wird weiter erhöht.
Da das herzustellende Kunststoffformteil an allen Außenbereich von der späteren Produktbeschnittlinie 16 begrenzt ist, weist der Faserwerkstoff des so hergestellten Kunststoffformteils also innerhalb der Produktbeschnittlinie 16 bereits vor dem Injizieren der Formmasse eine glatt gezogene oder gestraffte Ausgangskonfiguration auf, sodass der Faserwerkstoff diese glatt gezogene oder gestraffte Ausgangskonfiguration auch während der Einbringung der Formmasse beibehält und sich somit ein Kunststoffformteil ergibt, welches eine hohe Oberflächengüte ohne Verwerfungen oder Faltenbildungen aufweist.
Der Formbereich 8 weist darüber hinaus einen Aufnahmeraum 33 auf, der einerseits als Harzfalle dienen kann und darüber hinaus der Aufnahme eines Endbereichs on trockenem Fasermaterial des Fasertextils 5 dient. Die Zeichnung zeigt darüber hinaus radial außerhalb des Aufnahmeraums 33 eine elastische Dichtungseinrichtung 34, welche in einer Nut 35 angeordnet ist und bei geschlossener Kavität 4 das Eindringen von Staub und Schmutz in den Formbereich 8 verhindert, da die Kavität 4 zur Verringerung der Porosität des Kunststoffformteils evakuiert wird und somit die Tendenz besteht, dass entlang der Trennebene 10 mit Staub und Schmutz beladene Umgebungsluft in den Bereich der Kavität 4 gelangt.
Das erfindungsgemäße Werkzeug und das erfindungsgemäße Verfahren zeichnen sich also dadurch aus, dass damit Kunststoffformteile mit hoher Oberflächengüte hergestellt werden können, welche nach der Fertigung nicht mehr oder nur mehr in geringem Umfang nachbearbeitet werden müssen, um beispielsweise mit einem Farbauftrag versehen werden zu können oder auch ohne Farbauftrag eine glatte Sichtfläche ausbilden.
Bezugszeichenliste

1.: Werkzeug
2.: erstes Werkzeugteil
3.: zweites Werkzeugteil
4.: Kavität
5.: Fasertextil
6.: Pfeil
7.: Dichtungseinrichtung
8.: Formbereich
9.: Spalt
10.: Trennebene
11.: Winkel
12.: Dichtlinie
13.: Dichtspaltformfläche
14.: Dichtspaltformfläche
15.: Nut
16.: Produktbeschnittlinie
17.: Dichtbereich
18.: Dichtfläche
19.: Formfläche
20.: Formfläche
21.: Pfeil
22.: zweite Dichtfläche
23.: obere Formfläche
24.: untere Formfläche
25.: Bereich
26.: Faserwerkstoffzugbereich
27.: Formfläche
28.: Formfläche
29.: Pfeil
30.: Klemmbereich
31.: Schnittkante, Zugkante
32.: Formfläche
33.: Aufnahmeraum
34.: Dichtungseinrichtung
35.: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010030009 A1 [0004]
DE 102017205843 [0007]

Claims

Werkzeug (1) zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffformteilen, insbesondere nach dem RTM Verfahren, mit einem ersten Werkzeugteil (2) und einem zweiten Werkzeugteil (3), wobei mindestens ein Werkzeugteil (2, 3) einen Formbereich (8) zur Aufnahme eines Faserwerkstoffs und Begrenzung einer Kavität (4) zur Ausbildung der Kunststoffformteile aufweist und mindestens ein Werkzeugteil (2, 3) zum Öffnen und Schließen der Kavität (4) durch eine Veränderung des lichten Abstands zwischen den eine gemeinsame Trennebene (10) aufweisenden Werkzeugteilen (2, 3) ausgebildet ist, und zwischen den Werkzeugteilen (2, 3) eine die Kavität (4) im geschlossenen Zustand der Werkzeugteile (2, 3) einfassende Dichtungseinrichtung (7) ausgebildet ist, die von einem den Formbereich (8) einschließenden und im Winkel zur Trennebene ausgebildeten Dichtspalt (9) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) einen vom Formbereich (8) aus betrachtet radial außerhalb des Dichtspalts (9) ausgebildeten Faserwerkstoffzugbereich (26) aufweist, der im Winkel zur Trennebene ausgebildet ist.
Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserwerkstoffzugbereich (26) von im Abstand zueinander ausgebildeten Formflächen (27, 28) gebildet ist, welche am ersten (2) und zweiten (3) Werkzeugteil angeordnet sind und ein zwischen den Formflächen (27, 28) im rechten Winkel zu den Formflächen (27, 28) bestimmter Abstand („A“) kleinergleich einem Abstand („B“) ist, der im rechten Winkel zwischen den Dichtspalt ausbildenden Dichtspaltformflächen (13, 14) bestimmt ist.
Werkzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserwerkstoffzugbereich (26) eine zwischen einer Formfläche (28) und einer dazu benachbarten Fläche (32) des die Formfläche (28) aufweisenden Werkzeugteils (2) ausgebildete Schnittkante (31) aufweist.
Werkzeug (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtspaltformflächen (13, 14) bei geschlossener Kavität (4) einander gegenüberliegend und zur Trennebene (10) jeweils im gleichen oder unterschiedlichen Winkel (11) angeordnet sind.
Werkzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Werkzeugteile (2, 3) benachbart zum Dichtspalt (9) eine Nut (15) zur Aufnahme von Matrixharz aufweist.
Werkzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen dem Dichtspalt (9) und dem Formbereich (8) eine entlang der Trennebene (10) verlaufende erste Dichtfläche (18) ausgebildet ist.
Werkzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich außerhalb des Dichtspalts (9) vom Formbereich (8) aus betrachtet eine entlang der Trennebene (10) verlaufende zweite Dichtfläche (22) ausgebildet ist.
Werkzeug (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formbereich (8) wenigstens abschnittsweise von einem Aufnahmeraum (33) für Fasermaterial umgeben ist.
Werkzeug (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Formbereich (8) außerhalb des Aufnahmeraums (33) wenigstens abschnittsweise von einer elastischen Dichtungseinrichtung (34) umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung eines mehrdimensionalen faserverstärkten Kunststoffformteils, bei dem ein Faserwerkstoff (5) in eine Kavität (4) eines Werkzeugs (1) eingebracht wird und die Kavität (4) durch eine Relativbewegung zwischen einem ersten Werkzeugteil (2) und einem zweiten Werkzeugteil (3) des Werkzeugs (1) geschlossen wird und Matrixharz in einen den Faserwerkstoff (5) aufnehmenden Formbereich (8) der Kavität (4) eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserwerkstoff (5) zumindest während eines Teilabschnitts der Relativbewegung mittels einer zwischen zwei benachbarten Flächen (28, 32) eines Werkzeugteils (2) ausgebildeten Kante (31) mit Zugkraft beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkraftbeaufschlagung des Faserwerkstoffs (5) derart erfolgt, dass der Faserwerkstoff (5) im Bereich zwischen der Kante (31) und dem Formbereich (8) der Kavität (4) mit Zugspannung beaufschlagt wird und mit fortschreitender Relativbewegung der Werkzeugteile (2, 3) aufeinander zu der Faserwerkstoff (5) zumindest abschnittsweise gestrafft wird.