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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils, bei welchem ein Mantel aus einem Fasermaterial mit einem Matrixmaterial imprägniert bzw. durchtränkt wird.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung solcher faserverstärkter Hohlbauteile bekannt. Diese sehen regelmäßig vor, dass ein Formkern mit einem Fasermaterial umhüllt wird, wobei der Formkern die spätere Form des Hohlbauteils bestimmt. Nach dem Umhüllen wird das Fasermaterial mit einem Matrixmaterial durchtränkt und der Formkern nach einem Aushärten des durchtränkten Fasermaterials entfernt. Beim Durchtränken bzw. Imprägnieren des Fasermaterials mit dem Matrixmaterial können verschiedene Verfahren, wie beispielsweise das technisch aufwändige Resin-Transfer-Moulding (RTM), verwendet werden, wobei diesen gemein ist, dass ein Matrixmaterial von außen zugeführt werden muss.
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Der umhüllte Formkern muss bei den im Stand der Technik bekannten Verfahren nach dem Aushärten aus dem Hohlbauteil entfernt werden, was zusätzliche Prozessschritte und zum Teil mechanische Bearbeitung der Formkerne erfordert. Durch den zusätzlichen Aufwand für die hierfür notwendigen Prozessschritte wird das Verfahren zur Herstellung der gewünschten Hohlbauteile teurer und aufwändiger. Mit einer mechanischen Bearbeitung tritt zudem die Gefahr hinzu, dass das Hohlbauteil während eines solchen Prozessschrittes beschädigt wird, wodurch die Gefahr steigt Ausschuss zu erzeugen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils bereitzustellen, mit welchem ein Hohlbauteil mit wenigen Verfahrensschritten schnell und günstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils vorgeschlagen. Zunächst wird hierfür ein hohler Formkern aus einem Matrixmaterial gebildet. Der Formkern wird mit einem Fasermaterial zur Erzeugung eines faserverstärkten Mantels umhüllt. Folglich dient der Formkern einer ersten Formgebung des Mantels, aus welchem das Hohlbauteil gebildet wird, und bestimmt zumindest zum Teil die spätere Form des Hohlbauteils. Das Fasermaterial wird anschließend mit dem Matrixmaterial durchtränkt bzw. imprägniert, indem der Formkern durch Beaufschlagung mit einem Innendruck in das Fasermaterial des Mantels gedrückt wird.
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Bei der Innendruckbeaufschlagung wird der Formkern gedehnt bzw. aufgeblasen und dabei insbesondere in eine zu seiner Längsrichtung orthogonalen Radialrichtung gedehnt, wodurch eine Formkernaußenfläche gegen einer Mantelinnenfläche gepresst wird womit der Druck zwischen der Formkernaußenfläche und der zu der Formkernaußenfläche gewandten Mantelinnenfläche steigt, bis der Formkern sich an seiner Formkernaußenfläche durch den Druck und eine optional zugeführte Hitze zumindest soweit verflüssigt, dass der verflüssigte Teil des Formkerns in den Mantel bzw. zwischen die Fasern des Fasermaterials, aus dem der Mantel gebildet ist, eindringt und das Fasermaterial dadurch durchtränkt.
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Der Formkern weist eine die Form des Hohlbauteils bzw. die Form des Mantels bestimmende Außenform auf und kann beispielsweise durch umflechten oder umwickeln mit dem Fasermaterial umhüllt werden. An seinen gegenüberliegenden Seiten in Längsrichtung kann der Formkern einseitig oder zweiseitig offen sein, wobei die offenen Seiten vor der Innendruckbeaufschlagung gegenüber dem Mantel dicht verschlossen werden, um einen Formkerninnenraum des Formkerns abzudichten und den Formkern zur Dehnung mit dem Innendruck beaufschlagen zu können.
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Bei dem Matrixmaterial handelt es sich insbesondere um Polymere und vorzugsweise um ein Thermoplaste, welche beim Bilden des Formkerns aufgeschmolzen und in die Form des Formkerns gebracht werden. Der Formkern ist durch erneutes Erhitzen wieder aufschmelz- bzw. verflüssigbar oder wird zumindest soweit nachgiebig, dass er in das Fasermaterial bzw. den Fasermantel hinein gedrückt werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Formkern an einer zu dem Formkerninnenraum gewandten Innenwandseite vor dem Beaufschlagen des Formkerns bzw. des Formkerninnenraums mit dem Innendruck mit einer gasdichten Schutzlage versehen wird. Die gasdichte Schutzlage wird beispielsweise aus einer dehnbaren Folie gebildet, die nach dem Ausbilden des Formkerns an dessen Innenwandseite aufgebracht wird. Alternativ kann die gasdichte Schutzlage auch integral mit dem Formkern ausgebildet bzw. bereits bei der Ausbildung des Formkerns an diesem angeordnet werden. Wird der Formkern beispielsweise im Blasformverfahren ausgebildet, ist es möglich zwei aneinander anliegende und zueinander konzentrische Röhren zu extrudieren, von denen die äußere Röhre den Formkern und die innere Röhre die Schutzlage bildet. Bei der Verwendung eines Blasformverfahrens zur Bildung des Formkerns kann alternativ bei einem formgebenden Aufblasen der Röhre nach dem Extrudieren in dieser eine Folie angeordnet und mit der Röhre in die Form des Formkerns aufgeblasen werden, wodurch die Folie im Inneren des Formkerns unmittelbar an diesem anliegt.
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Wird die Schutzlage nach dem Ausbilden des Formkerns in diesem angeordnet, kann zwischen der Schutzlage und dem Formkern auch eine Trennschicht, beispielsweise aus Talkum, angeordnet werden, um die Schutzlage später einfach von dem Hohlbauteil lösen zu können.
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Alternativ zu einer Ausführungsvariante des Verfahrens mit einer Schutzlage sieht eine ebenfalls vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens vor, dass der Formkern zumindest an seiner zu seinem Formkerninnenraum gewandten Innenwandseite und vor einem vollständigen Verflüssigen des Formkerns gasdicht ausgebildet ist. Bei der Innendruckbeaufschlagung ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Formkern an einer Außenwandseite, mit welcher er an dem Mantel anliegt, verflüssigt wird und das an der Außenwandseite verflüssigte Matrixmaterial in den Mantel eindringt. Die davon abgewandte Innenwandseite des Formkerns ist dabei gasdicht ausgebildet oder bei der alternativen Variante durch die Folie gasdicht abgedichtet.
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Eine mögliche Verfahrensvariante sieht ferner vor, dass der Formkern ein Blasformkern ist und durch ein Blasformverfahren hergestellt wird, wobei die Schutzlage dann vorzugsweise integral mit dem Formkern im Blasformverfahren und insbesondere im Multilayerblasformverfahren ausgebildet wird.
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Um eine komplexe Formgebung des Formkerns abzubilden sieht davon abweichend eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens vor, dass der Formkern durch ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt wird. Als generative Fertigungsverfahren werden hierbei verschiedene 3D-Druckverfahren oder andere „Rapid-Prototyping“-Verfahren verstanden, welche insbesondere einen schichtweisen Aufbau komplexer Formen ermöglichen.
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Da der Formkern aus einem zunächst flüssigen Matrixmaterial gebildet wird, kann der Formkern alternativ auch in einem Gießverfahren gegossen werden.
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Unabhängig von dem Herstellungsverfahren des Formkerns kann dieser eine sich entlang seiner Längsachse verändernde Form aufweisen und beispielsweise Abschnitte geringerer Wandstärke und Abschnitte erhöhter Wandstärke besitzen. Durch die verschiedenen Wandstärken sind entlang der Längsachse des Hohlbauteils bzw. des Mantels verschiedene Mengen von Matrixmaterial in das Hohlbauteil bringbar.
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Es ist auch möglich, Verstärkungselemente, die nicht aus dem Matrixmaterial bestehen, in dem Formkern anzuordnen. Die Verstärkungselemente haften an dem Formkern oder an einer Schutzlage bzw. an einer Folie. Alternativ können die Verstärkungselemente auch zwischen der Schutzlage und dem Formkern angeordnet sein und werden durch die Dehnung des Formkerns und falls vorhanden der Schutzlage an den Mantel gefördert bzw. gedrückt, ohne in diesen einzudringen. Nach dem Innendruckbeaufschlagen bilden diese an dem Mantel anliegende Verstärkungselemente. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Metall- oder Kunststoffrippen oder eine Kunststoffröhre mit einer gitter- oder wabenartigen Struktur in oder an dem Formkern angeordnet werden, welche bei der Innendruckbeaufschlagung an den Mantel gedrückt wird und später als Verstärkungselement an diesem verbleibt.
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Eine weitere vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass ein von dem Formkern gebildeter Formkerninnenraum vor dem Innendruckbeaufschlagen gasdicht abgedichtet wird. Hierfür kann der Formkern bzw. der Formkerninnenraum beispielsweise durch Stopfen an seinen offenen Seiten oder durch eine Klemmung des Formkerns an dem Mantel verschlossen werden. Bei dem anschließenden Innendruckbeaufschlagen wird der Formkerninnenraum bzw. der Formkern durch ein Gas innendruckbeaufschlagt.
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Durch den Innendruck wird bei der Innendruckbeaufschlagung auch der Mantel verdichtet, da dieser von dem Formkern radial nach außen und vorzugsweise gegen eine Formfläche eines Formwerkzeugs gedrückt wird. Daher sieht eine ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass bei der Innendruckbeaufschlagung der Innendruck auf einen vorbestimmten Wert eingestellt und über eine vorbestimmte Dauer gehalten wird. Der Mantel wird durch das Halten des Innendrucks auf dem vorbestimmten Wert mit der vorbestimmten Dauer von einer unkomprimierte Wandstärke des Mantels auf eine vorbestimmte komprimierte Wandstärke verdichtet. Die Wandstärke des Mantels ist folglich durch die Höhe des Innendrucks und das Halten des Innendrucks über eine bestimmte Zeit einstellbar.
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Mittels des Haltens des Innendrucks auf einem vorbestimmten Wert über eine vorbestimmte Zeit ist zudem steuerbar, wie schnell der Formkern bzw. der verflüssigte Teil des Formkerns in den Mantel eindringt und durchtränkt. Bei einer weiteren Verfahrensvariante ist daher auch vorgesehen, dass der Formkern bei der Innendruckbeaufschlagung nicht vollständig in den Mantel gedrückt wird und ein Teil des Matrixmaterials des Formkerns an einer Innenwandseite des Mantels verbleibt. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Formkern mehr Matrixmaterial aufweist, als zum durchtränken des Mantels notwendig ist. Das an einer Innenwandseite des Mantels verbleibende Matrixmaterial des Formkerns bildet nach dem Innendruckbeaufschlagen eine stoffschlüssig mit dem Mantel bzw. mit dem den Mantel durchtränkenden Matrixmaterial verbundene Verstärkungslage. Eine Wandstärke der Verstärkungslage ist wiederum durch ein Halten des Innendrucks auf einem vorbestimmten Wert über eine vorbestimmte Dauer bei der Innendruckbeaufschlagung einstellbar.
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Um den Mantel bzw. die Außenwandseite des Mantels in einer das Hohlbauteil bestimmenden Form zu halten, sieht das Verfahren in einer Ausführungsvariante vor, dass der Mantel bei der Innendruckbeaufschlagung des Formkerns bzw. des Formkerninnenraums in einem den Mantel zumindest teilweise umschließenden Formwerkzeug angeordnet ist. Der Mantel wird bei der Innendruckbeaufschlagung durch den Innendruck gegen eine im inneren des Formwerkzeugs ausgebildete und dem Mantel zugewandte Formfläche des Formwerkzeugs gepresst. Die Formfläche kann dabei zu der Außenfläche des Formkerns korrespondieren oder von dieser abweichend ausgebildet sein, wobei die Form des Hohlbauteils oder zumindest die Form einer Hohlbauteilaußenfläche von der Formfläche des Formwerkzeugs bestimmt wird.
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Vorzugsweise wird der Innendruck in dem imprägnierten Mantel in dem Formwerkzeug über eine Abkühldauer auf einem Wert gehalten, der niedriger ist als der Wert des Innendrucks während des Imprägnierens bzw. Durchtränkens des Mantels, so dass der Mantel weiter gegen die Formfläche des Formwerkzeugs gepresst wird und seine Form beibehält, bis der mit dem Matrixmaterial durchtränkte Mantel zumindest formfest ausgehärtet ist, also seine Form auch ohne die Innendruckbeaufschlagung hält.
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Um die Verflüssigung des Formkerns zu unterstützen sieht eine ebenfalls vorteilhafte Variante des Verfahrens vor, dass zumindest der Formkern vor und/oder während der Innendruckbeaufschlagung auf eine Imprägnationstemperatur erhitzt wird, bei welcher sich zumindest der an dem Mantel angrenzende Randbereich bzw. die an den Mantel angrenzende Formkernaußenfläche verflüssigt, um in den Mantel eindringen zu können.
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Hierfür kann an dem Formwerkzeug ein Heizelement angeordnet oder in das Werkzeug integriert sein. Mit dem Heizelement wird die Formfläche des Formwerkzeugs aufgeheizt und der Formkern über den dazwischen liegenden Mantel erwärmt. Zusätzlich oder alternativ kann in dem Formkerninnenraum des Formkerns vor dem Innendruckbeaufschlagen ein Innenheizelement angeordnet werden. Beispielsweise kann bei der Verwendung einer gasdichten Folie an der Innenwandseite des Formkerns diese mit Heizdrähten durchzogen sein. Ebenfalls möglich ist, einen Stutzen, durch welchen das Gas in den Formkerninnenraum eingebracht wird, mit einem Heizelement zu versehen, das integral den Formkerninnenraum und das einströmende Gas erwärmt. Der Formkern wird bei der Innendruckbeaufschlagung durch das Innenheizelement und/oder das Heizelement des Formwerkzeugs auf die Imprägnationstemperatur aufgeheizt. Optional kann zudem das Gas zur Innendruckbeaufschlagung bei oder vor dem Einströmen in den Formkerninnenraum auf die Imprägnationstemperatur bzw. eine darunter liegende und zum Erreichen der Imprägnationstemperatur beitragende Temperatur erhitzt werden.
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Die Imprägnationstemperatur, bei welcher sich der Formkern zumindest an seiner Außenwandseite verflüssigt, kann an dem Formkern auch durch weitere Faktoren, wie beispielsweise dem zwischen dem Formkern und dem Mantel herrschenden Druck, erreicht werden.
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Um ein Verfestigen des mit dem Matrixmaterial durchtränkten Mantels zu unterstützen kann ferner ein Kühlen über Kühlelemente in oder an dem Formwerkzeug vorgesehen werden.
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Das Fasermaterial weist bei einer vorteilhaften Weiterbildung zudem zumindest zwei verschiedene Faserarten auf, wobei eine der Faserarten aus dem Matrixmaterial gebildet ist. Die aus dem Matrixmaterial gebildeten Fasern werden bei der Innendruckbeaufschlagung und der optionalen Erhitzung ebenfalls verflüssigt, so dass durch die Anordnung der Fasern aus dem Matrixmaterial in vorbestimmten Bereichen des Mantels auch Bereiche des Mantels durchtränkbar sind, welche von dem Matrixmaterial des Formkerns schlecht oder nicht erreichbar sind.
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Bei dem Umhüllen des Formkerns kann dieser beispielsweise auch mit mehreren Lagen des Fasermaterials umhüllt werden, wobei weiter außenliegende Lagen bei der Innendruckbeaufschlagung durch die aus dem Matrixmaterial gebildeten Fasern durchtränkt werden.
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Die Erfindung umfasst ferner ein faserverstärktes Hohlbauteil, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
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Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 bis 6 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils.
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Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
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Zunächst wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise durch ein Blasformverfahren ein Formkern 11 hergestellt, wie er in 1 dargestellt ist. Der Formkern 11 besteht aus einem Matrixmaterial, das durch Zufuhr von Wärme wieder verflüssigbar ist. Der in 1 gezeigte Formkern 11 entspricht in seiner Außenform im Wesentlichen der Innenform des herzustellenden Hohlbauteils 1. Hierzu wurde der Formkern 11 bei seinem Herstellungsverfahren umgeformt und weist bei der vorliegend gezeigten, beispielhaften Ausführung zwei Knicke auf, wobei der Formkern 11 auch eine davon abweichende Form aufweisen kann. Um eine Innendruckbeaufschlagung zu ermöglichen, ist die Wandung des Formkerns 11 bzw. der Formkern 11 in Radialrichtung um seine Längsachse L gasdicht ausgebildet. Kann das Matrixmaterial des Formkerns 11 selbst nicht gasdicht hergestellt werden, ist es beispielsweise auch möglich, an der Innenwandseite des Formkerns 11 nach oder bei seiner Herstellung eine in der Figur nicht dargestellte gasdichte Schutzlage, wie beispielsweise eine Folie, anzuordnen, welche sich bei der Innendruckbeaufschlagung dehnt aber zugleich gasdicht bleibt.
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Nach dem Ausbilden des Formkerns 11 wird dieser mit dem Fasermaterial umhüllt und somit der Mantel 10 gebildet. Der Formkern 11 kann beispielsweise durch Umwickeln oder Umflechten mit dem Fasermaterial versehen werden, wobei sich die Form des Formkerns 11 bzw. die Form der Formkernaußenfläche auf den Mantel 10 überträgt. Der Mantel 10 kann auch durch mehrfaches Umhüllen des Formkerns 11 ausgebildet werden, bei welcher die unterschiedlichen Lagen des Fasermaterials in ihrer Ausrichtung und/oder Zusammensetzung der verwendeten Faserarten variieren können. Durch das Umhüllen des Formkerns 11 mit dem Fasermaterial wird zunächst ein nicht durchtränkter Mantel 10 des späteren Hohlbauteils 1 ausgebildet, welcher die Form des Formkerns 11 wie in 2 dargestellt übernimmt.
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Der mit dem nicht durchtränkten bzw. nicht imprägnierten Mantel 10 umhüllte Formkern 11 wird, wie in 3 offenbart, in einem Formwerkzeug 20 angeordnet. Dieses kann aus mehreren Formwerkzeugteilen gebildet sein und umschließt den Formkern 11 mit dem Mantel 10 vollständig. Das Formwerkzeug 20 bildet einen durch eine Formfläche bestimmten Innenraum aus, dessen Form einem Negativ des herzustellenden Hohlbauteils 1 entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Innenraum des Formwerkzeugs 20 durch zwei gegenüberliegende Dichtstopfen 21 verschlossen, welche den Innenraum des Formwerkzeugs bzw. den Formkerninnenraum 11' in Längsrichtung L gasdicht verschließen. Durch die Dichtstopfen 21 erstreckt sich jeweils ein rohrförmig ausgebildeter Stutzen 22, durch welche ein Gas in den Innenraum des Formwerkzeugs 20 bzw. in den Innenraum 11' des Formkerns 11 geleitet und der Formkern 11 mit einem Innendruck beaufschlagt werden kann.
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Durch den auf die Innenwandseite des Formkerns 11 wirkenden Gasdruck wird der Formkern 11 in Radialrichtung um seine Längsachse L gedehnt und gegen den Mantel 10 gedrückt, welcher den Formkern 11 umgibt. Durch das Formwerkzeug 20 wird die Außenform des Mantels 10 gehalten bzw. bestimmt, wodurch der Mantel 10 nicht gedehnt werden kann. Der sich durch den Gasdruck dehnende Formkern 11 wird durch den Druck zwischen einer Formkernaußenfläche des Formkerns 11 und der Mantelinnenfläche des Mantels 10 erhitzt, wodurch sich eine unmittelbar an dem Mantel 10 anliegende Zwischenschicht des Formkerns 11 bzw. die Formkernaußenfläche verflüssigt und verformbar wird. Die Zwischenschicht dringt, wie in 4 gezeigt, zwischen die Fasern des Fasermaterials ein, aus welchem der Mantel 10 gebildet ist und imprägniert diese Fasern mit dem verflüssigten Matrixmaterial des Formkerns 11. Zunächst wird eine Teilschicht 12 des Mantels 10 mit dem Matrixmaterial durchtränkt, welche durch Halten des Innendrucks nach radialaußen ausgedehnt wird, bis wie in 5 dargestellt der gesamte Mantel 10 bzw. das gesamte Fasermaterial aus dem der Mantel 10 gebildet ist mit dem Matrixmaterial des Formkerns 11 durchtränkt ist. Um das verflüssigen des Matrixmaterials zu unterstützen kann beispielsweise das Formwerkzeug 20, das durch die Stutzen 22 strömende Gas oder die Stutzen 22 selbst durch geeignete Heizelemente erhitzt werden.
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Nachdem der Mantel 10 zumindest zum Teil mit dem Matrixmaterial des Formkerns 11 imprägniert wurde, wird der Druck für eine vorbestimmte Härtezeit gehalten oder reduziert, wodurch der imprägnierte Mantel 10 in dem Formwerkzeug 20 zumindest formfest aushärten kann. Zur Unterstützung der Trocknung bzw. der Härtung des imprägnierten Mantels 10 kann das Formwerkzeug 20, das Gas, oder die Stutzen 22 auch gekühlt werden.
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Ist der Mantel 10 zumindest formfest ausgehärtet, wird dieser aus dem Formwerkzeug 20 entformt. Der entformte, imprägnierte und ausgehärtete Mantel 10 entspricht dem herzustellenden Hohlbauteil 1, wie es in 6 dargestellt ist. Mit dem Imprägnieren bzw. Durchtränken des Fasermaterials des Mantels 10 mit dem Matrixmaterial des Formkerns 11 ist eine Entfernung oder mechanische Bearbeitung des Formkerns nicht notwendig, wodurch sonst hierfür benötigte weitere Verfahrensschritte entfallen können.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
