-
EINLEITUNG
-
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf die Herstellung von faserverstärkten Verbundkonstruktionen. Insbesondere beziehen sich die Aspekte dieser Offenbarung auf Verfahren zur Minderung von Mängeln beim Spritzgießen von faserverstärkten Polymerverbundplatten.
-
Verbundwerkstoffe werden zur Herstellung einer breiten Palette moderner Produkte verwendet. Viele derzeit produzierten Automobile, Wasserfahrzeuge und Flugzeuge sind beispielsweise ursprünglich mit tragenden Karosserieteilen, ästhetischen Verkleidungen, Tragrahmenelementen sowie verschiedenen anderen Komponenten ausgestattet, die ganz oder teilweise aus Verbundwerkstoffen gefertigt werden. Faserverstärkte Kunststoffe (FRP) sind ein Beispiel für Verbundwerkstoffe, die in der Serienfertigung eingesetzt werden und aufgrund ihres hohen Festigkeits-/Gewichtsverhältnisses, ihrer erhöhten Elastizität und ihres geringen Gewichts bevorzugt werden. FRPs werden typischerweise durch Suspendieren eines hochfesten Fasermaterials, wie beispielsweise Glas- oder Kohlenstofffasern, in einem verfestigten Polymer, wie beispielsweise einer Epoxy/Harzmatrix, gebildet.
-
Eine verfügbare Technik zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffkonstruktionen ist das Harzinjektionsverfahren (RTM). Viele RTM-Prozesse verwenden ein hydrostatisches Einspritzsystem, um hochdruckfähiges, niedrigviskoses Harz in eine geschlossene Form einzubringen. Trockenfasern, die in Form einer vorgefertigten Fasermatte (oder „Vorform“) vorliegen können, werden vor dem Einbringen des Harzes in das Innere der Form eingebracht. Nachdem die Faservorform positioniert und die Form geschlossen ist, wird Harz eingespritzt, um das Innere der Form zu füllen und die Vorform zu imprägnieren. Die Form kann erwärmt und unter Vakuum gesetzt werden, wie beim Vakuumunterstützten Harzinjektionsverfahren (VARTM), um den Harzfluss zu unterstützen. Bei einigen Transferspritztechniken kann die Temperatur der Form während des Aushärtens des Harzes zyklisch oder konstant gehalten werden; nach dem Aushärten wird das Teil aus der RTM-Vorrichtung entnommen. RTM-Prozesse ermöglichen die wirtschaftliche Herstellung von Verbundteilen mit hohen Festigkeitseigenschaften, engen Maßtoleranzen, komplexen Geometrien und einer gleichbleibenden Teilequalität.
-
Die
DE 10 2017 106 850 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils eines Faserverbundwerkstoffs, wobei das Fasermaterial in ein Formwerkzeug eingebracht wird. Es ist vorgesehen, dass ein Einleger in das Formwerkzeug eingebracht wird, der nicht Bestandteil des herzustellenden Faserverbundbauteils und nicht integraler Bestandteil der formgebenden Werkzeugoberfläche ist und der während des Aushärtens des Matrixmaterials in dem Formwerkzeug verbleibt.
-
Die
DE 10 2015 219 960 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, mit einem einseitig formgebenden Werkzeug und einer Abdeckung, wobei zwischen dem einseitig formgebenden Werkzeug und der Abdeckung eine Bauteilkavität vorgesehen ist. Ein Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme eines quellfähigen Materials ist vorgesehen, um in einem aktivierten Zustand einen Druck auf die Bauteilkavität auszuüben.
-
Die
DE 10 2011 116 119 A1 beschreibt ein Drapier- und Formwerkzeug zum Herstellen einer komplexdreidimensional geformten faserverstärkten Preform aus zumindest einer zweidimensionalen flächigen Faseranordnung, wobei das Drapier- und Formwerkzeug ein Unterwerkzeug mit einer Formkontur, die die komplexdreidimensionale Form der Preform abbildet, und ein Oberwerkzeug mit einer Gegenformkontur bereitstellt, die komplementär zur Formkontur ausgebildet ist. Zumindest das Oberwerkzeug umfasst eine Mehrzahl hubbeweglich, einzeln ansteuer- und verfahrbarer Stempelsegmente, die jeweils einen verformbaren Stempelkopf aufweisen, wobei die Stempelsegmente mit den Stempelköpfen die Gegenformkontur bilden.
-
Die
DE 10 2009 039 116 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen durch Injektion einer Kunststoffmatrix in ein Formwerkzeug mit zwei eine Kavität bildenden Formteilen, zwischen die ein textiles Faserhalbzeug eingelegt wird und das Formwerkzeug wenigstens einen Anschluss mit Mitteln zur Injektion der Kunststoffmatrix aufweist. Es ist wenigstens ein Formteil hohl ausgebildet, wobei das hohl ausgebildete Formteil einen Anschluss mit Mitteln zur Druckbeaufschlagung seines Hohlraums aufweist.
-
Die
DE 10 2013 212 571 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Preforms aus zumindest zwei Teil-Preforms für ein Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff, wobei ein erstes Teil-Preform aus mehreren Lagen von Fasergewebe und/oder von Fasergelege aufgebaut wird und ein zweites Teil-Preform durch Sprühen von Faserabschnitten auf ein Formwerkzeug gebildet wird.
-
KURZDARSTELLUNG
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest einige der oben genannten Nachteile verfügbarer Techniken zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffkonstruktionen zu überwinden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist damit ein Verfahren zum Bilden einer Verbundwerkstoffkonstruktion unter Verwendung eines Formsystems angegeben, wobei das Formsystem erste und zweite Formsegmente beinhaltet, die dazwischen einen Formhohlraum, einen primären Einlass und eine primäre Entlüftung definieren, die beide fluidisch mit dem Formhohlraum verbunden sind, und eine elektronische Steuereinheit, die den Betrieb des Formsystems steuert. Das Verfahren umfasst ein Empfangen eines Ausrichtungssignals über die elektronische Steuereinheit, das anzeigt, dass eine faserbasierte Vorform in den Formhohlraum eingebracht wird, ein Empfangen eines Abdichtungssignals über die elektronische Steuereinheit, das anzeigt, dass das erste und zweite Formsegment zusammen abgedichtet sind, sowie ein Einbringen eines Füllstoffs in einen Hohlraum im Formhohlraum zwischen der faserbasierten Vorform und einer ersten Werkzeugseite des ersten Formsegments. Der Füllstoff wird in Form einer Profillehre eingebracht, die an dem Hauptkörper des ersten Formsegments untergebracht ist und konfiguriert ist, um den Hohlraum zwischen der faserbasierten Vorform und der ersten Werkzeugseite im Wesentlichen zu füllen. Die Profillehre weist eine Gruppe von länglichen, zylindrischen Stiften auf, die jeweils mittels eines Vorspannelements unabhängig beweglich an einem Innenraum des ersten Formsegments angebracht sind, um von der Werkzeugoberfläche des ersten Formsegments nach unten zu ragen, um gegen die faserbasierte Vorform zu drücken. Das Verfahren umfasst ferner ein Übertragen eines Einspritzbefehlssignals über die elektronische Steuereinheit an eine Harzpumpe, um Harz durch den primären Einlass und in den Formhohlraum einzuspritzen, um dadurch die faserbasierte Vorform mit dem Harz zu imprägnieren, und ein Übertragen eines Evakuierungsbefehlssignals über die elektronische Steuereinheit an die primäre Entlüftung, um Luft aus dem Formhohlraum zu evakuieren.
-
Zum besseren Verständnis werden hierin ferner Vergleichsbeispiele von Fertigungssystemen mit zugehöriger Steuerungslogik zur Herstellung von Verbundwerkstoffkonstruktionen, Verfahren zur Herstellung und zum Betrieb dieser Systeme sowie Harztransferspritzgießtechniken (RTM) zur Verbesserung der Laufverfolgungseffekte in faserverstärkten Polymer-(FRP)-Platten offenbart. Es werden exemplarisch RTM-Verfahren vorgestellt, die Teilefehler mindern, die durch unbeabsichtigte Hohlräume oder Vorformkompressionen infolge falscher Dimensionierung oder Verlagerung von Faservorformen innerhalb des Formhohlraums entstehen. Das Vorhandensein derartiger Hohlräume zwischen Werkzeug und Vorform kann zu Lufteinschlüssen, erhöhter Porosität, unbeabsichtigten Harzfließwegen oder ungleichmäßiger Faserdichte während des Spritzgießens führen. Dieses Problem wird durch Minimieren oder Verhindern derartiger Hohlräume und damit durch Sicherstellen eines reibungslosen Übergangs zwischen Bereichen unterschiedlicher Dicke der Vorform behoben. Das dosierte Einspritzen von geschnittenen Fasern und/oder das Einbringen einer variablen Einlage in einen Spaltbereich zwischen Faservorform und Werkzeugseite trägt dazu bei, unerwünschte Hohlräume um die Vorform herum zu beseitigen. Die Verwendung des vorhergehenden Protokolls beim Harzinjektionsverfahren trägt dazu bei, Harzlaufbahnen zu verhindern und dadurch Segmente mit variabler Dicke der resultierenden Struktur zu verstärken, während unbelastete Bereiche der Struktur leichter werden können.
-
Zu den begleitenden Vorteilen für mindestens einige der offenbarten Konzepte zählen eine verbesserte Gesamtteilequalität des RTM-Herstellungsprozesses, die Minimierung von Lufteinschlüssen im Endprodukt und die Erhöhung der Einheitlichkeit und Konsistenz von Teil zu Teil. Die offenbarten RTM-Techniken können auch dazu beitragen, die Empfindlichkeit des Formvorgangs auf die Platzierung von Verstärkungselementen zu reduzieren, wodurch die Notwendigkeit einer präzisen Herstellung der Faservorformen oder einer präzisen Automatisierung der Platzierung der Vorformen entfällt. Die offenbarten Techniken tragen auch dazu bei, das Auftreten von Mängeln zu verhindern (Hohlraumbildung) und damit die Gesamtanzahl der fehlerhaften Teile zu reduzieren. Weitere Vorteile können eine Reduzierung des Ausschusses und damit einhergehend eine Reduzierung der Materialkosten beinhalten. Offenbarte Techniken tragen auch dazu bei, jede endemische Unsicherheit bei der Fertigung von Verbundwerkstoff-Konstruktionen zu mildern, die oft durch Rohstoffschwankungen, unvermeidbare Rückverfolgbarkeit und Inkongruenzen bei den Verarbeitungsbedingungen verursacht wird.
-
Aspekte der vorliegenden Offenbarung richten sich auf Transferspritzverfahren mit Qualitätskontrollfunktionen zur Minderung von Defekten an faserverstärkten Polymerplatten an Laufbahnen. In einem Beispiel wird ein Verfahren zum Bilden einer Verbundwerkstoffkonstruktion mit einem Spritzgießsystem vorgestellt. Dieses Formsystem beinhaltet gegenüberliegende Formsegmente, die, wenn sie miteinander abgedichtet sind, gemeinsam einen geschlossenen Formhohlraum definieren. Ein oder mehrere Einlässe und eine oder mehrere Lüftungsöffnungen sind fluidisch mit dem Formhohlraum verbunden, um Harz einzubringen bzw. Luft aus dem Hohlraum zu evakuieren. Eine programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU) regelt den Betrieb des Formsystems. Das vorstehende repräsentative Verfahren beinhaltet in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einer der vorstehenden und nachstehenden Optionen und Merkmale: Empfangen, z. B. über das System-ECU von einem geeigneten Sensor oder einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), eines elektronischen Signals, das anzeigt, dass eine faserbasierte Vorform in den Formhohlraum eingebracht wird; Empfangen, z. B. von über das System-ECU von einem geeigneten Sensor oder dem HMI ein elektronisches Signal, das anzeigt, dass die Formsegmente geschlossen und abgedichtet sind; vor oder nach dem Schließen der Form, Einbringen eines Füllstoffs in einen oder mehrere Hohlräume zwischen dem faserbasierten Vorformling und einer oder mehreren Werkzeugflächen eines oder mehrerer beider Formsegmente, um dadurch unerwünschte Harzlaufbahnen zu eliminieren; Übertragen eines oder mehrerer Steuersignale über das System-ECU an die primäre(n) Entlüftung(en), um Luft aus dem Formhohlraum zu evakuieren; Übertragen eines oder mehrerer Steuersignale über das System-ECU an eine Harzpumpe, um Harz durch den primären Einlass/die primären Einlässe und in den Formhohlraum einzuspritzen, um dadurch die faserbasierte Vorform zu imprägnieren; und, nach einer vorbestimmten Aushärtezeit, Übertragen eines offenen Signals zum Öffnen des Werkzeugs, sodass der gehärtete Teil entfernt werden kann.
-
Andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung richten sich an Fertigungssteuerungssysteme zur Minderung der Auswirkungen der Nachführung von Harzen auf faserverstärkte Polymerplatten. So wird beispielsweise ein Harzinjektionssystem zum Bilden einer faserverstärkten Polymerkonstruktion vorgestellt. Das RTM-System beinhaltet eine hydrostatische Formvorrichtung mit gegenüberliegenden oberen und unteren Formsegmenten, die, wenn sie miteinander versiegelt sind, zwischen einer geschlossenen Form definiert sind. Ein oder mehrere Hohlraum-Einlässe führen Harz in den Formhohlraum ein, während eine oder mehrere Hohlraumöffnungen die Luft aus dem Formhohlraum evakuieren. Ein System-ECU, das eine oder mehrere Steuerungen umfassen kann, die sich im Formsystem befinden und/oder von diesem entfernt sein können, ist kommunikativ mit der Formvorrichtung verbunden und so programmiert, dass sie prozessorausführbare Anweisungen ausführen, die in einer Haupt-, Hilfs- und/oder entfernten Speichervorrichtung gespeichert sind. Das Formsystem kann auch mit einer verteilten Anordnung von Sensoren ausgestattet sein, die an der Formvorrichtung angebracht sind. Jeder Sensor ist einzeln betreibbar, um einen Systemparameter an einer diskreten Position zu überwachen und ein oder mehrere dafür indikative Signale auszugeben.
-
In Fortführung des vorhergehenden Beispiels empfängt das programmierbare Steuergerät ein elektronisches (Ausrichtungs-)Signal, das anzeigt, dass eine faserbasierte Vorform in den Formhohlraum eingebracht wurde. Für mindestens einige Implementierungen kann die korrekte Platzierung der Vorform manuell bestätigt werden. An dieser Stelle kann das System-ECU ein Signal an eine Steuerung senden, damit ein Portal oder ein Roboter in das Werkzeug eintritt und einen oder mehrere potenzielle Laufbereiche füllt. Das ECU empfängt auch ein elektronisches (abgedichtet) Signal, das anzeigt, dass die gegenüberliegenden Formsegmente geschlossen und gemeinsam abgedichtet wurden. Eine Füllvorrichtung, die in der Art einer kompressiblen Einlage, eines Clusters von unabhängig betätigbaren Profilmessstiften oder einer pneumatischen Schnittfaserpistole sein kann, führt einen Füllstoff in einen oder mehrere Hohlräume zwischen dem Vorformling und der Werkzeugfläche(n) einer oder beider Matrizen (vor oder nach dem Schließen der Form) ein. Eine oder mehrere Entlüftungsöffnungen werden gleichzeitig geöffnet, um die Luft aus dem Formhohlraum zu evakuieren. Das System-ECU weist anschließend eine Harzpumpe an, Harz durch den primären Einlass/die primären Einlässe und in den Formhohlraum einzuspritzen, um dadurch die faserbasierte Vorform mit dem Harz zu imprägnieren. Nach Beendigung einer angemessenen Aushärtungszeit kann das GFK-Teil aus dem Formhohlraum entnommen werden. Die Füllvorrichtung kann ein integraler Bestandteil der hydrostatischen Formvorrichtung sein oder eine separate Komponente, die z. B. durch eine gesteuerte Roboterplatzierung eingebracht wird.
-
Zusätzliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung richten sich auf Montageverfahren und Verfahren zum Betrieb eines der offenbarten Fertigungssteuerungssysteme. Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auch auf faserverstärkte Polymerstrukturen, die mit einem der offenbarten Verfahren gebildet werden. Ebenfalls hierin vorgestellt werden nichtflüchtige, computerlesbare Medien, die Anweisungen speichern, die durch mindestens einen oder mehrere Prozessoren einer oder mehrerer Formsystemsteuerungen, integrierter Schaltungen oder spezieller Steuermodule ausgeführt werden können, um eine der offenbarten Verfahren, Techniken und Algorithmen auszuführen.
-
Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr stellt die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Konzepte und Merkmale, wie hierin dargelegt, als Beispiel dar. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile dieser Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
- 1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung eines repräsentativen Harzinjektionssystems zur Herstellung von faserverstärkten Polymerverbundkonstruktionen gemäß eines Vergleichsbeispiels der vorliegenden Offenbarung.
- 2 ist eine schematische Seitenansicht einer repräsentativen Harzspritzgießvorrichtung mit einer pneumatischen, spritzgeschnittenen Fasereinspritzpistole gemäß eines Vergleichsbeispiels der vorliegenden Offenbarung.
- 3 ist eine schematische Seitenansicht einer repräsentativen Harzspritzgießvorrichtung mit einem Oberflächenprofilmessgerät gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine schematische Seitenansicht einer repräsentativen Harzspritzgießvorrichtung mit einer komprimierbaren Einlage gemäß eines Vergleichsbeispiels.
- 5 ist eine schematische Seitenansicht einer repräsentativen Harzspritzgießvorrichtung mit einer pneumatisch oder hydraulisch expandierbaren Blase gemäß eines Vergleichsbeispiels.
- 6 ist ein Flussdiagramm, das einen repräsentativen Fertigungssteuerungsalgorithmus zum Steuern des Betriebs eines Harzinjektionsformsystems veranschaulicht, der auf einem Speicher gespeicherten Anweisungen entsprechen kann, die von einer residenten oder fernbetätigten Steuerlogik, einer programmierbaren elektronischen Steuereinheit oder einer anderen computergestützten Vorrichtung oder einem Netzwerk von Vorrichtungen gemäß den Aspekten der offenbarten Konzepte ausgeführt werden.
-
Die vorliegende Offenbarung ist verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen zur Anwendung zugänglich, und einige repräsentative Ausführungsformen werden exemplarisch in den Zeichnungen dargestellt und hierin ausführlich beschrieben. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den vorstehend aufgeführten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche festgelegt sind.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Repräsentative Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden hierin detailliert beschrieben, mit dem Verständnis, dass diese Ausführungsformen als Beispiel für die offenbarten Prinzipien und nicht als Einschränkung der allgemeinen Aspekte der Offenbarung dienen. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in der Kurzdarstellung, der Einführung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, aber nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden. Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; die Wörter „alle und jegliche“ bedeuten beide „alles und jedes“; und die Wörter „einschließlich, enthalten“, „umfassend“, „aufweisen“ und dergleichen, bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung.“ Darüber hinaus können beispielsweise Wörter für Annäherungen, wie „etwa“, „fast“, „wesentlich“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder jegliche logische Kombination davon verwendet werden.
-
Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, wird in 1 ein repräsentatives Vergleichsbeispiel eines Verbundwerkstoff-Fertigungssystems, das im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird und hierin zu Zwecken der Erörterung als steuerungsautomatische Harzinjektions-(RTM)-Vorrichtung dargestellt. Das veranschaulichte Verbundwerkstoff-Fertigungssystem 10 - hierin auch kurz als „Formsystem“ oder „RTM-System“ bezeichnet - ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung praktiziert werden können. Gleichermaßen sollte die Implementierung der vorliegenden Konzepte zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten, harzbasierten Polymerplatten auch als repräsentative Anwendung der hierin offenbarten neuen Aspekte und Merkmale verstanden werden. Somit versteht es sich, dass die Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung zur Herstellung anderer Verbundwerkstoff-Konstruktionen implementiert und in jede logisch relevante Art von Spritzgussarchitektur integriert werden können. Darüber hinaus werden lediglich ausgewählte Komponenten des RTM-Systems 10 in den Zeichnungen dargestellt und hierin im Detail beschrieben. Dennoch können die nachfolgend dargestellten Systeme und Vorrichtungen zusätzliche und alternative Merkmale sowie andere verfügbare und nachfolgend entwickelte periphere Komponenten beinhalten, ohne vom beabsichtigten Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Letztendlich sind die beigefügten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit gelten die spezifischen und relativen Maße der Zeichnungen nicht als einschränkend.
-
Das RTM-System 10 von 1 kann eine hydrostatische, wärmehärtende Flüssigharzformvorrichtung zum Herstellen von mehrdimensionalen faserverstärkten Polymer-(FRP)-Platten verwenden. Gemäß dem veranschaulichten Beispiel wird das RTM-System 10 teilweise durch eine geschlossene Form 12 dargestellt, die als zweiteilige Konstruktion mit einem ersten Formsegment 11 (obere Werkzeugmatrize) ausgebildet ist, das dichtend mit einem komplementären zweiten Formsegment 13 (untere Werkzeugmatrize) zusammenpasst, um dazwischen eine abdichtbare Kammer oder einen „Formhohlraum“ zu definieren. Im Gegensatz zu offenen Formkonfigurationen, die typischerweise während des Einspritzens und Aushärtens offen für die Atmosphäre sind, kann eine „geschlossene Form“ durch einen geschlossenen Formhohlraum mit einem Angusssystem von Fluiddurchgängen gekennzeichnet sein, die das Einbringen und Evakuieren eines unter Druck stehenden Gusspolymers in die und aus der Form regeln. Zu diesem Zweck können die ersten und/oder zweiten Formelemente 11, 13 hydraulisch betätigt werden, um die Bewegung der Werkzeugsegmente 11, 13 hin und her zu erleichtern. Induktionsspulen, Fluidleitungen zum Zirkulieren von erwärmtem Öl oder Wasser oder elektrische Widerstandsheizungen (nicht dargestellt) können an jedem Werkzeugsegment 11, 13 befestigt werden oder sich durch dieses erstrecken, um eine selektive Erwärmung der Form 12 zu erleichtern.
-
Eine faserbasierte Vorform 14 mit beliebiger Form und beliebigem Material, wie beispielsweise eine Kohlenstofffasermatte oder ein Glasfaserroving, befindet sich in einem Formhohlraum 15 auf einer Oberseite des unteren Formsegments 13, das auch als „untere Werkzeugfläche“ der Form 12 bezeichnet. Dichtungs-/Indexpins (nicht dargestellt) ragen aus komplementären Aussparungen in den oberen und/oder unteren Formsegmenten 11, 13 heraus, um die faserbasierte Vorform 14 im Formhohlraum 15 genau zu positionieren. Zumindest einige Anwendungen können voraussetzen, dass die faserbasierte Vorform 14 manuell auf den unteren Formabschnitt 13 der Form 12 aufgesetzt werden muss; andere Systemarchitekturen können diese und jede andere Phase des RTM-Prozesses mit einer programmierbaren elektronischen Steuerung 25 (hierin auch als „elektronisches Steuergerät“ oder ECU bezeichnet) automatisieren. Die Verstärkungsfasern, die zur Vorfertigung der faserbasierten Vorform 14 verwendet werden, können aus jedem geeigneten Material oder jeder Kombination von Materialien zur Verwendung als Verstärkungsfasern bestehen, wie beispielsweise Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Borfasern, Basaltfasern, Metallfasern und jede Kombination derselben. Vorformlinge mit unterschiedlichem Gewicht, Gewebe und Faserausrichtung können verwendet werden. Für andere optionale Konfigurationen kann zumindest eines der Formsegmente 11, 13 mit einem flexiblen Vakuumsack, z. B. aus Silikonkautschuk oder einem anderen geeigneten flexiblen Material, zur Aufnahme eines vakuumunterstützten Harzinjektionsverfahrens ausgestattet werden.
-
Um den Harztransfer zu erleichtern, können ein oder beide Formsegmente 11, 13 mit Harznuten, Kanälen oder anderen Fluidleitungen 16 und 18 gebildet oder bearbeitet werden, die im Allgemeinen zwischen der Innenfläche der Form 12 und der faserbasierten Vorform 14 definiert sind. Jeder Harzkanal 16, 18 ist fluidisch mit einer oder mehreren Harzeinlassöffnungen gekoppelt, die hierin durch einen primären Einlass 20 dargestellt sind, durch den ein härtbares Polymer-Gießmittel in den Formhohlraum 15 eingebracht wird. Dieses härtbare Polymer kann jede geeignete Form annehmen, einschließlich flüssiger, duroplastischer und/oder thermoplastischer Matrixharze, die üblicherweise bei der Herstellung von Spritzgussteilen verwendet werden. Einige spezifische, aber nicht einschränkende Beispiele für geeignete Harze beinhalten Epoxidharz, Phenolharz, Melaminharz, ungesättigtes Polyesterharz, Polyurethanharz, Maleimidharz, Silikonharz, Cyansäureesterharz, Vinylesterharz, Polyamide und Polyetherketone sowie Hybride, Kombinationen und Modifikationen derselben. Das Harz kann vor dem Ausstoßen entlüftet werden, um eine verbesserte Harzmatrix mit reduzierten Hohlräumen bereitzustellen. Während der Verarbeitung kann das Harz, das bei Raumtemperatur eine hohe Viskosität (z. B. etwa 5.000 bis 20.000 cp) aufweisen kann, auf eine Temperatur erwärmt werden, die das Harz zu einer niedrigen Viskosität schmelzen würde (z. B. etwa 50-300 cp bei 130 °C) und das Harz leichter fließen lässt.
-
Nachdem die faserbasierte Vorform 14 auf das untere Formsegment 13 aufgelegt wurde, wird das obere Formsegment 11 geschlossen und mit dem unteren Segment 13 abgedichtet, z. B. über eine Klemme (nicht dargestellt). Sobald der Formhohlraum abgedichtet ist, kann die eingeschlossene Luft durch eine primäre Entlüftung 28 abgeleitet werden. Nach dem Entfernen der Luft wird die primäre Entlüftung 28 abgedichtet. Flüssigharz 22 wird aus einer Harzversorgung 24 gezogen und über die Harzpumpe 26, deren Betrieb von der elektronischen Steuerung 25 gesteuert wird, durch den primären Einlass 20 in den Formhohlraum 15 eingespritzt. Das Infundieren des Harzes 22 kann bei Umgebungstemperaturen unter Vakuumdruck erfolgen; alternativ kann die Harzinfusion in mindestens einigen optionalen Ausführungsformen schwerkraftgespeist werden und kann durch Wärmeeinwirkung auf einen erhöhten Harzbehälter 24, die Form 12 und/oder alle miteinander verbundenen Fluidleitungen erfolgen. Wenn der Formhohlraum 15 im Wesentlichen gefüllt ist und somit die faserbasierte Vorform 14 mit Harz 22 gesättigt ist, wird die Harzeinspritzung gestoppt und das Harz kann aushärten. Es ist leicht zu erkennen, dass alternative Mittel eingesetzt werden können, um die faserbasierte Vorform 14 mit Harz 22 zu imprägnieren, einschließlich Vakuumdruck, kolbengetriebene Einspritzung, Autoklav und anderen konventionellen Mechanismen zum Erzeugen von Druck.
-
Während des RTM-Verfahrens werden die im gesamten Werkzeug 12 auftretenden Systembetriebsparameter vorteilhaft durch eine verteilte Anordnung von Sensoren erfasst. So bildet beispielsweise 1 fünf diskrete Sensoren 30A, 30B, 30C, 30D und 30E ab. Jeder dieser Sensoren 30A-30E ist funktionsfähig an der Form 12 befestigt, entweder vollständig in eines der Formsegmente 11, 13 integriert oder alternativ mit einem außerhalb der Form 12 angebrachten Hauptsensorkörper und einem an einem der Formsegmente 11, 13 angebrachten, verbundenen Sensorelement. Online-Sensordaten für Temperatur/Druck an verschiedenen diskreten Stellen innerhalb des Formhohlraums 15 werden in Echtzeit durch die Sensoren 30A-30E gemessen und an die elektronische Steuerung 25 zu jedem Zeitpunkt während des RTM-Prozesses übertragen. Es ist zu beachten, dass die Anzahl, die Positionen und die Konfigurationen der verteilten Sensoranordnung 30A-30E variiert werden können, um beispielsweise die Designanforderungen und Einschränkungen der Qualitätskontrolle einer beabsichtigten Anwendung zu berücksichtigen. Weitere optionale Hardware kann eine erste Reihe von einzeln bedienbaren sekundären Lüftungsschlitzen (zusammen als 32A bezeichnet) beinhalten, die über einen gleichmäßigen Abstand entlang einer linken Flanke der Form 12 beabstandet sind, und eine zweite Reihe von individuell bedienbaren sekundären Lüftungsschlitzen (zusammen als 32B bezeichnet), die über einen gleichmäßigen Abstand entlang einer rechten Flanke der Form 12 angeordnet sind.
-
Wie vorstehend angegeben, ist die elektronische Steuerung 25 so konstruiert und programmiert, dass sie unter anderem verschiedene Phasen des RTM-Prozesses steuert, einschließlich des Betriebs des primären Einlasses 20 und der Entlüftung 28, der Pumpe 26 und der beiden Reihen von sekundären Entlüftungen 32A, 32B. Steuerung, Steuermodul, Module, Steuereinheit, Prozessor und alle Permutationen hiervon können austauschbar verwendet werden und können definiert werden als eine von verschiedenen Kombinationen einer oder mehrerer logischer Schaltungen, anwendungsspezifischer integrierter Schaltung(en) (ASIC), elektronische Schaltung(en), zentrale Verarbeitungseinheit(en) (z. B. Mikroprozessor(en)) und dazugehörige Arbeits- und Datenspeicher (Lesespeicher, programmierbare Lesespeicher, Direktzugriffsspeicher, Festplattenlaufwerke usw.)), ob resident, entfernt oder eine Kombination aus beidem, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme oder Routinen, kombinatorische Logikschaltung(en), Eingangs-/Ausgangsschaltung(en) und -geräte, entsprechende Signal-Konditionierungs- und Pufferschaltungen ausführen, sowie weitere Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen. Die Steuerung 25 kann eine integrierte Schaltkreis-(IC)-Hardware sein, die programmiert ist, um eine oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder -routinen auszuführen, z. B. unter Verwendung einer geeigneten Signalkonditionierungs- und Pufferschaltung, und andere Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen.
-
Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Codes, Algorithmen und ähnliche Begriffe können austauschbar verwendet werden und können so definiert werden, dass sie alle vom Controller ausführbaren Befehlssätze, einschließlich Kalibrierungen und Nachschlagetabellen, umfassen. Eine Steuerung kann mit einem Satz von Steuerroutinen konzipiert sein, die ausgeführt werden, um eine der offenbarten Funktionen und Vorgänge bereitzustellen. Steuerroutinen werden zum Beispiel durch eine zentrale Verarbeitungseinheit ausgeführt und dienen dazu, die Eingänge der Sensorvorrichtungen und anderer vernetzter Steuermodule zu überwachen und um Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Vorrichtungen und Stellgliedern zu steuern. Routinen können in Echtzeit, kontinuierlich, systematisch, sporadisch und/oder in regelmäßigen Abständen, z. B. nach jeweils 100 Mikrosekunden, 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden bei laufender Systemnutzung oder -betrieb ausgeführt werden. Alternativ dazu können die Routinen als Reaktion auf das Auftreten eines bestimmten Ereignisses oder einer Liste von bestimmten Ereignissen während des Betriebs eines Systems ausgeführt werden.
-
Die 2, 4 und 5 veranschaulichen drei Vergleichsbeispiele repräsentativer RTM-Vorrichtungen 140, 240, 340 und 440 und 3 eine erfindungsgemäße RTM-Vorrichtung 240, die dazu bestimmt sind, Mängel bei GFK-Bauteilen zu mildern, die durch unbeabsichtigte Hohlräume oder durch Kompression der Vorform infolge falscher Dimensionierung und/oder Verlagerung von Faservorformen innerhalb eines inneren Formhohlraums verursacht werden. Obwohl sich das Erscheinungsbild unterscheidet, können die RTM-Vorrichtungen 140, 240, 340, 440 der 2-5 jeweils in das RTM-System 10 der 1 integriert oder modifiziert werden, um eine der vorstehend beschriebenen Optionen und Merkmale in Bezug auf das RTM-System 10 aufzunehmen und umgekehrt. So beinhaltet beispielsweise jede RTM-Vorrichtung 140, 240, 340, 440 ein erstes Formsegment 111, 211, 311, 411 (obere Werkzeugmatrize), das abdichtend mit einem komplementären zweiten Formsegment 113, 213, 313, 413 (untere Werkzeugmatrize) zusammenpasst, zum Definieren eines Formhohlraums 115, 215, 315, 415 dazwischen. Ein komplementärer faserbasierter Vorformling 114, 214, 314, 414 befindet sich in jedem Formhohlraum 115, 215, 315, 415, der auf der Werkzeugseite des unteren Formsegments 113, 213, 313, 413 unterstützt wird.
-
Natürliche Schwankungen in der Größe und Platzierung eines faserbasierten Vorformlings können unerwünschte Herstellungsbedingungen hervorrufen, wie beispielsweise unbeabsichtigte Luftspalte oder zerquetschte Abschnitte des Vorformlings, die zu Porosität, trockenen Fasern oder anderen Mängeln an den resultierenden GFK-Teilen führen. In einigen Anwendungen kann die für das Spritzgiessen verwendete Endfaservorform aus mehreren Schichten von diskreten Faservorformen bestehen. Ein „Verstärkungspatch“ ist eine untergeordnete Schicht aus Verstärkungsfasern, die, wenn sie auf einer primären Vorformschicht sitzt, zu einer endgültigen Faservorform mit Abschnitten unterschiedlicher Dicke führt. Durch die Fertigungstoleranz bedingte Schwankungen und inkonsistente Platzierung eines Verstärkungspatchs können zu unbeabsichtigten Hohlräumen oder Vorformpressungen an einer Übergangsstelle zwischen Vorformabschnitten mit unterschiedlichen Dicken führen. Unter Bezugnahme auf 2 wird beispielsweise der faserbasierte Vorformling 114 aus einer Verstärkungspatchschicht 114A zusammengesetzt, die auf einer darunter liegenden primären Vorformschicht 114B angebracht ist, wodurch angrenzende rechte und linke Vorformprofile mit entsprechenden Vorformdicken TP1 und TP2 erzeugt werden. Ein gestufter Vorformbereich 114C ist dazwischen angeordnet und bildet eine Übergangsstelle für die angrenzenden Vorformabschnitte. In gleicher Weise beinhaltet die obere Werkzeugmatrize 111 angrenzende rechte und linke Werkzeugabschnitte 111A bzw. 111B mit entsprechenden Werkzeugdicken TT1und TT2. Ein gestufter Werkzeugbereich 111C ist dazwischen angeordnet und bildet eine Übergangsstelle für die angrenzenden Werkzeugabschnitte 111A, 111B. In diesem übertriebenen Beispiel erzeugt die unterdimensionale Verstärkungspatchschicht 114A einen Hohlraum 127 zwischen dem gestuften Werkzeugbereich 111C und dem gestuften Vorformbereich 114C. Während viele handelsübliche RTM-Systeme unbeabsichtigt unter- oder überdimensionale Verstärkungsflicken einsetzen können, kann die RTM-Vorrichtung 140 von 2 eine Verstärkungspatchschicht 114A mit einer Nennweite (z. B. Patch-Breite) verwenden, die kleiner als eine Nennweite (z. B. Hohlraumbreite) des rechten Werkzeugabschnitts 111A ausgelegt ist, um sicherzustellen, dass der Patch 114A innerhalb der Grenzen des Werkzeugbereichs bleibt, unabhängig von Unstimmigkeiten beim Schneiden oder Platzieren.
-
Das Vergleichsbeispiel einer RTM-Vorrichtung 140 von 2 ist mit einer automatisierten Füllvorrichtung ausgestattet, die selektiv betreibbar ist, um einen Luftspalt oder „Hohlraum“ 127 zwischen der oberen Werkzeugmatrize 111 und der faserbasierten Vorform 114 im Wesentlichen auszufüllen und dadurch unerwünschte Bildung einer Harzlaufbahn zu minimieren oder zu eliminieren. Gemäß dem veranschaulichten Beispiel ist ein luftgetriebener Faserzerkleinerer 142 funktionsfähig an der RTM-Vorrichtung 140 befestigt und fluidisch mit einer pneumatischen Faserspritzpistole 144 verbunden. Die pneumatische Faserspritzpistole 144 kann direkt an der oberen Werkzeugmatrize 111 befestigt und angrenzend an den abgestuften Werkzeugbereich 111C so platziert werden, dass die Pistolendüse in den Hohlraum 127 mündet, wenn die gegenüberliegenden Werkzeugmatrizen 111, 113 geschlossen abgedichtet sind. Der Faserzerkleinerer 142 und die Spritzpistole 144 können mit Druckluft aus einer Druckluftzufuhr versorgt werden (nicht dargestellt). Der Faserzerkleinerer 142 kann in der Art eines rotierenden Zerkleinerers sein, der ein kontinuierliches Faserroving empfängt und das Roving in diskrete Faserlängen schneidet, die durch die Spritzpistole 144 ausgestoßen werden. Obwohl mit einer einzigen Füllvorrichtung zum Füllen eines Hohlraums zwischen einem einzelnen Vorformling und einer einzelnen Werkzeugmatrize dargestellt, können die offenbarten RTM-Systeme und -Vorrichtungen eine beliebige Anzahl oder Kombination von Füllvorrichtungen zum Verschließen einer beliebigen Anzahl von Hohlräumen zwischen einem oder mehreren Vorformlingen und einer oder mehreren Werkzeugmatrizen verwenden.
-
Die Aktivierung des luftgetriebenen Faserzerkleinerers 142 und der pneumatischen Faserspritzpistole 144 von 2, z. B. über das RTM-System ECU 25 von 1, spritzt ein dosiertes Volumen eines Füllstoffs 146 in in den Hohlraum 127 zwischen der faserbasierten Vorform 114 und der Werkzeugseite der Werkzeugmatrize 111 ein. Der eingespritzte Füllstoff 146 kann einen geringen anfänglichen Faservolumenanteil aufweisen, um sicherzustellen, dass sich das resultierende sprühgeschnittene Faserbett unter Druck zwischen den Formsegmenten 111, 113 leicht verformt, um einer gewünschten Teiletopologie zu entsprechen und so den Übergang im Volumenanteil zwischen dem Faserbett und dem Patch 114A zu puffern. In diesem Zusammenhang kann der faserbasierte Vorformling mit einem (ersten) voreingestellten Volumenanteil der Faser (z. B. ca. 45-55 %) hergestellt werden, während der Faserfüllstoff mit einem ausgeprägten (zweiten) Volumenanteil der Faser (z. B. ca. 5-30 %) eingespritzt wird, der quantifizierbar kleiner ist als der Volumenanteil der Faser des Vorformlings. Für zumindest einige Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass der anfängliche Faservolumenanteil des sprühgeschnittenen Faserbettes etwa 10-60 % des anfänglichen Faservolumenanteils der Vorform ausmacht. Der Begriff „Volumenanteil“ kann gemäß der üblichen Bedeutung, die von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden wird, definiert werden, einschließlich eines Prozentsatzes eines Bestandteils (z. B. Faservolumen) in allen konstituierenden Teilen (z. B. Gesamtvolumen des Endverbundwerkstoffs).
-
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 2 kann der Füllstoff 146 für gehackte Fasern so gewählt werden, dass er dem des Fasermaterials oder der Materialien der faserbasierten Vorform 114 oder einer Schicht 114A, 114B derselben entspricht. Als nicht-einschränkendes Beispiel kann der Füllstoff für gehackte Fasern beispielsweise ein sprühgeschnittenes Verstärkungsfaserbett aus Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Bor-, Metall- und/oder Basaltfasern umfassen oder, falls gewünscht, im Wesentlichen aus diesen bestehen. Offenbarte RTM-Systeme und -Vorrichtungen können eine Faseranordnungsgröße (tow size) von etwa 3.000 bis etwa 50.000 Fasern in einer Faseranordnung oder, in einem spezifischeren, aber nicht-einschränkenden Beispiel, etwa 24.000 bis 50.000 Fasern in einer Faseranordnung verwenden. Zu diesem Zweck kann die ungefähre Länge der geschnittenen Fasern von etwa 6 mm bis etwa 25 mm oder, was noch vorteilhafter ist, von etwa 8 mm bis etwa 15 mm oder, noch vorteilhafter, von 10 mm bis 12 mm variieren. Jede Faser kann einen Durchmesser von etwa 2-45 Mikrometern (µm) oder, in einigen Ausführungsformen, etwa 5-25 µm aufweisen. Zur Verbesserung der Haftung und Kohäsion können die eingespritzten Fasern 146 mit einem thermoplastischen oder duroplastischen Bindemittel oder Bindematerial, wie beispielsweise einem Polyurethan-, Epoxid-, Polyacrylat- und/oder Styrol-Butadien-Latex-Bindemittel, das den Faserfüllstoff 146 an die faserbasierte Vorform 114 bindet, mitgerissen oder beschichtet sein. Für mindestens einige Ausführungsformen beinhaltet der Füllstoff etwa 0,25 % bis etwa 10 Gew.-% Bindemittel oder in einigen Anwendungen etwa 1,0 % bis etwa 5,0 Gew.-% Bindemittel. Im Idealfall würde eine Breite der gespritzten Fläche einer Breite des Luftspalts entsprechen; da dies jedoch nicht möglich ist, kann eine Breite der gespritzten Fläche von etwa 5 mm bis etwa 30 mm oder, in einigen Ausführungsformen, von etwa 5 mm bis etwa 10 mm oder, in mindestens einigen Ausführungsformen, von 5 mm bis 7 mm betragen.
-
Ähnlich wie das Vergleichsbeispiel einer RTM-Vorrichtung 140 von 2 ist die erfindungsgemäße RTM-Vorrichtung 240 von 3 mit einer Luftspaltfüllvorrichtung ausgestattet, die betreibbar ist, um einen unbeabsichtigten Luftspalt bzw. Hohlraum 227 im Wesentlichen zu füllen, der zwischen der nach unten gerichteten Werkzeugfläche der oberen Werkzeugmatrize 211 und einer Oberseite der faserbasierten Vorform 214 eingeschlossen ist. Im veranschaulichten Beispiel ist eine selbsttätige Profillehre 242 im Hauptkörper der oberen Werkzeugmatrize 211 untergebracht und als dynamische Oberflächentopologie betreibbar, die der Werkzeugfläche der Werkzeugmatrize 211 an die konturierte Oberseite der Vorform 214 angepasst ist. Die Profillehre 242 verwendet eine Gruppe von länglichen, zylindrischen Stiften 244, die beweglich in einem Innenraum des Formsegments 211 angebracht sind. Jeder Stift 244 wird unabhängig von einem speziellen Vorspannelement 246 (z. B. Spiraldruckfeder) betätigt, um von der Werkzeugoberfläche des oberen Werkzeugs 211 nach unten zu ragen. Wenn der Vorformling im Formhohlraum 215 sitzt und die gegenüberliegenden Formsegmente 211, 213 geschlossen sind, drückt das Cluster der Stifte 244 gegen den Vorformling 214. Die Federkraft der Vorspannelemente 246 ist ausreichend gering, um sicherzustellen, dass die Stifte 244 die Vorform 214 nicht spürbar zusammendrücken, ist aber ausreichend hoch, um die Stifte 244 geradlinig nach unten in den Hohlraum 227 zu drücken.
-
Die Profillehrenstifte 244 von 3 können eng in einer Anordnung aus mehreren Reihen und mehreren Spalten von Stiften angeordnet sein. Um eine kompakte Gruppierung zu gewährleisten, können die Stifte 244 eine polyedrische Geometrie mit quadratischem Querschnitt aufweisen, wobei die Umfangsflächen jedes Stifts 244 gleitend an die Umfangsflächen der benachbarten Stifte 244 angrenzen. Jeder Stift 244 kann eine konturierte Spitze und optional eine Breite von etwa 1-2 mm aufweisen. Obwohl vorstehend als unabhängig betätigbare Stifte beschrieben, kann das Cluster der Stifte 244 in Teilmengen zusammengefasst werden, die gemeinsam in die obere Werkzeugmatrize 111 einfahrbar und aus dieser heraus verschiebbar sind. Die durch die Profillehrenstifte 244 bewirkte Profilreplikation kann mit einer flexiblen, elastomeren Folie 248 kombiniert werden, die im Dickenübergangsbereich unterhalb der Stifte 244 über die Oberseite der Vorform 214 legt, um z. B. größere Stifttoleranzen zu ermöglichen und ein Auslaufen von Harz zwischen den Stiften zu verhindern. Es ist ferner vorgesehen, dass alternative Mittel zum Steuern des Ein- und Ausfahrens der Stifte verwendet werden können, einschließlich hydraulischer Stellglieder, pneumatischer Stellglieder und/oder elektronischer Linearantriebe, die vom System-ECU gesteuert werden, um die Stifte selektiv in die erste Werkzeugseite ein- und auszufahren.
-
Die Vergleichsbeispiele von RTM-Vorrichtungen 340 und 440 der 4 und 5 sind mit entweder einer passiven oder einer aktiven Hohlraumfüllvorrichtung ausgestattet, von denen jede so ausgelegt ist, dass sie im Wesentlichen einen oder mehrere unerwünschte Hohlräume 327, 427 füllt, die zwischen der oberen Werkzeugmatrize 311, 411 und der faserbasierten Vorform 314, 414 während des Spritzgiessens eingeschlossen sind. Die RTM-Vorrichtung 340 von 4 beinhaltet beispielsweise ein kompressibles Polster 344, das über die Polsterbasis 346 starr an der nach unten gerichteten Werkzeugfläche des Formsegments 311 angebracht ist. Das Polster 344 ist so geformt und bemessen, dass es gegen den faserbasierten Vorformling 314 drückt - ohne den Vorformling 314 wesentlich zu verdichten - wenn die gegenüberliegenden Werkzeuge 311, 313 geschlossen und abgedichtet sind. Das Polster 314 befindet sich im Dickenübergangsbereich der Vorform 314, um den Hohlraum 327 teilweise oder vollständig zu füllen. Das kompressible Polster 344 kann aus einem elastomeren Material oder einer Kombination von elastomeren Materialien, wie beispielsweise einem Silikonkautschuk, einem Neoprenkautschuk, einem Fluorelastomer-Kautschuk und/oder einem beliebigen geeigneten elastischen Material, gebildet sein. Für zumindest einige Anwendungen weist das elastomere Material eine geringe Steifigkeit auf (z. B. eine Shore OO-Härte von etwa 20-60 oder ein Shore A-Gurt von weniger als 30), aber eine hohe Elastizitätsgrenze und/oder einen vernachlässigbaren Dauereinsatz (z. B. ein niedriger Young-Modul von etwa 0,1-1,0 MPa), um sicherzustellen, dass das Polster 344 verschiedenen Oberflächenprofilen entspricht und beim Entlasten in seine Ausgangsform zurückkehrt. Obwohl als Festkörperbauweise (d. h. ohne erkennbare innere Hohlräume) dargestellt, kann das Polster 344 mit einem Hohlkörper oder einem mit Flüssigkeit gefüllten Körper gebildet werden. Es ist ferner vorgesehen, dass das Polster 344 andere Formen, Größen, Ausrichtungen und/oder Positionen annehmen kann als die in den Zeichnungen dargestellten. Jede der veranschaulichten Füllvorrichtungen kann, wie dargestellt, ein integraler Bestandteil der hydrostatischen Formvorrichtung sein oder eine separate Komponente, die z. B. über eine gesteuerte Roboterplatzierung oder ein translatorisches Portal eingebracht wird.
-
Im Gegensatz zu der passiven Hohlraumfüllvorrichtung, die von der RTM-Vorrichtung 340 von 4 verwendet wird, ist die RTM-Vorrichtung 440 von 5 mit einer steuerungsgeregelten „aktiven“ Hohlraumfüllvorrichtung ausgestattet, um die unbeabsichtigte Bildung von Harzlaufbahnen zwischen einer harzbasierten Vorform und einer Werkzeugmatrizenoberfläche zu verhindern. Gemäß dem veranschaulichten Beispiel ist ein pneumatisches Stellglied, wie beispielsweise die Luftpumpe 442, funktionsfähig an der RTM-Vorrichtung 440 befestigt und mit einem aufblasbaren Beutel 444 fluidisch verbunden. Der aufblasbare Beutel 444 ist im Hauptkörper der oberen Werkzeugmatrize 411 untergebracht und kann selektiv betätigt werden, um sich an einen Abschnitt der konturierten Oberseite der Vorform 414 anzupassen. Der Beutel 444 wird von der speziellen Luftpumpe 442 angesteuert, sodass er aus einem Innenfach der oberen Werkzeugmatrize 411 herausragt, von der Werkzeugoberfläche nach unten und in direkten Kontakt mit der Vorform 414 kommt. Während eines Transferformvorgangs wird die Luftpumpe 442 von 4 aktiviert, z. B. über das RTM-System ECU 25 von 1, um einen Innendruck des aufblasbaren Blasenbeutels 444 zu regeln. Der Innendruck wird so geregelt, dass er ausreichend niedrig ist, um sicherzustellen, dass der Beutel 444 die Vorform 414 nicht spürbar komprimiert, aber dennoch ausreichend hoch ist, um den Beutel 444 auf ein Volumen aufzublasen, das den Hohlraum 427 im Wesentlichen ausfüllt. Ähnlich wie das Polster 344 von 4 kann der aufblasbare Beutel 444 von 5 andere Formen, Größen, Ausrichtungen und/oder Positionen annehmen als die in den Zeichnungen dargestellten. Ebenso können alternative Mittel zum aktiven Steuern des vom Beutel 444 ausgeübten Drucks verwendet werden, einschließlich hydraulischer und/oder pneumatischer Vorrichtungen, z. B. um den Blasendruck an den eingespritzten Harzdruck anzupassen, wenn er den Übergangsbereich passiert.
-
Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 6 wird ein verbessertes Verfahren oder eine verbesserte Steuerstrategie zum Steuern des Betriebs eines Formensystems, wie das RTM-Fertigungssystem 10 von 1, einschließlich einer Spritzgießformvorrichtung, wie die RTM-Vorrichtungen 140, 240, 340, 440 von 2-5, im Allgemeinen bei 500 gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Einige oder alle der in 6 veranschaulichten und hierin beschriebenen Vorgänge können repräsentativ für einen Algorithmus sein, das prozessorausführbaren Anweisungen entspricht, die beispielsweise im Haupt- oder Hilfsspeicher oder in einem entfernten Speicher gespeichert werden können und zum Beispiel durch eine residierende oder entfernte Steuerung, Verarbeitungseinheit, Steuerlogikschaltung oder ein anderes Modul, Gerät und/oder Netzwerk von Vorrichtungen, um eine oder alle der vorstehend oder nachstehend beschriebenen Funktionen im Zusammenhang mit den offenbarten Konzepten auszuführen. Es sollte angemerkt werden, dass die Reihenfolge bei der Ausführung der veranschaulichten Operationsblöcke geändert, zusätzliche Blöcke hinzugefügt und einige der beschriebenen Blöcke geändert, kombiniert oder eliminiert werden können.
-
Das Verfahren 500 beginnt an der Klemmenleiste 501 von 6 mit prozessorausführbaren Anweisungen für eine programmierbare Steuerung oder ein Steuermodul oder einen ähnlich geeigneten Prozessor, wie beispielsweise die RTM-Systemsteuerung 25 von 1, um ein Initialisierungsverfahren für ein Protokoll zum Überwachen und Regeln des Bildens einer Verbundwerkstoffkonstruktion mittels einer Spritzgussvorrichtung aufzurufen. Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die Architektur von 1 als repräsentative Implementierung der in 6 dargelegten Methodik kann die Steuerung 25 betreibbar sein, um relevante Informationen und Eingaben zu empfangen, zu verarbeiten und zu synthetisieren und Steuerlogik und Algorithmen zum Regeln verschiedener RTM-System-10-Komponenten und zugehöriger Vorgänge auszuführen, um gewünschte Steuerziele und -ausgaben zu erreichen. Die RTM-Systemsteuerung 25 kann mit Algorithmen zum Vorhersagen und Steuern der Herstellung von Verbundwerkstoffen programmiert werden. Diese Algorithmen können verwendet werden, um während eines Harzinjektionsverfahrens eine Hohlraumbedingung zwischen einer Werkzeugmatrizenoberfläche und einer faserbasierten Vorform abzuleiten und diese Hohlraumformationen zu verbessern.
-
Vor, zeitgleich mit oder nach dem Ausführen des mit der Klemmenleiste 501 verbundenen Vorgangs oder der Vorgänge fährt das Verfahren 500 von 6 mit prozessorausführbaren Anweisungen zum Prozessblock 503 fort, woraufhin ein Ausrichtungssignal empfangen wird, das anzeigt, dass eine faserbasierte Vorform in einen Formhohlraum des Formsystems eingebracht wurde. Als nicht einschränkendes Beispiel empfängt die RTM-Systemsteuerung 25 ein elektronisches (Start-)Signal, z. B. von der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) eines Systembetreibers, einem kapazitiven oder induktiven Näherungssensor innerhalb des Formhohlraums 15 oder als Teil einer allgemeinen Steuerungssequenz zur automatisierten Herstellung von Verbundwerkstoffteilen, die anzeigt, dass eine faserbasierte Vorform 14 innerhalb des Formhohlraums 15 platziert und ist in Bezug auf das obere und untere Formsegment 11, 13 korrekt ausgerichtet. Am Prozessblock 505 kann ein weiteres elektronisches Signal empfangen werden, um zu bestätigen, dass die gegenüberliegenden Formsegmente der RTM-Vorrichtung geschlossen und abgedichtet sind.
-
Nachdem die elektronische Steuereinheit des RTM-Systems bestätigt hat, dass sich eine Vorform im Formhohlraum befindet und die Werkzeuge abgedichtet wurden, fährt das Verfahren 500 mit dem Entscheidungsblock 507 fort, um zu bestimmen, ob ein Luftspalt oder ein anderer messbarer Hohlraum zwischen einer Außenfläche der Vorform und einer Werkzeugseite einer Werkzeugmatrize vorhanden ist. Wie vorstehend in der Erläuterung der 2-5 dargelegt, können Fertigungsschwankungen und inkonsistente Platzierung einer Vorform oder des Verstärkungspads einer Vorform zu unbeabsichtigten Hohlräumen an einer Übergangsstelle zwischen Vorformprofilen mit unterschiedlichen Dicken führen. Um derartige Hohlräume zu erkennen, können eine oder beide Werkzeugmatrizen mit induktiven, Ultraschall- und/oder Infrarotsensoren ausgestattet sein, die ein Oberflächenprofil einer eingesetzten Vorform überwachen, um zu ermitteln, ob zwischen der Vorform und der Werkzeugmatrizenoberfläche ein Hohlraum vorhanden ist, der größer als eine Mindestschwellengröße ist oder nicht. Es ist vorgesehen, dass die im Entscheidungsblock 507 durchgeführte Bewertung aus dem Verfahren 500 ausgelassen werden kann, beispielsweise in RTM-Systemen und -Vorrichtungen, die passive Mittel zum Füllen von unerwünschten Luftspalten und anderen Hohlräumen im Werkzeuginneren einsetzen. Wenn kein derartiger Hohlraum vorhanden ist (Block 507 = NEIN), wechselt das Verfahren 500 zum Prozessblock 511, der im Folgenden beschrieben wird.
-
Als Reaktion auf das Bestimmen, dass tatsächlich ein Hohlraum einer vorbestimmten Mindestgröße innerhalb des Formhohlraums vorhanden ist (Block 507 = JA), verarbeitet das Verfahren 500 weiterhin Block 509 mit Anweisungen zum Einbringen eines Füllstoffs in den erfassten Hohlraum zwischen der faserbasierten Vorform und der Werkzeugfläche des Formsegments. Der am Prozessblock 509 eingebrachte Füllstoff kann jede der vorstehend beschriebenen Optionen und Variationen annehmen, einschließlich einer der in Bezug auf die 2-5 beschriebenen Einfüllvorrichtungen. Der Vorgang oder die Vorgänge, die im Prozessblock 509 ausgeführt werden, können automatisiert, manuell oder eine Kombination von beidem sein. So kann beispielsweise der Prozessblock 509 gespeicherte Anweisungen für eine Systemsteuerung, wie beispielsweise das in 1 enthaltene RTM-System ECU 25, zum Steuern des Betriebs des luftgetriebenen Faserzerkleinerers 142 und der pneumatischen Faserspritzpistole 144 zum Modulieren des Volumens des in den Hohlraum 127 eingespritzten Füllstoffs 146 aus geschnittenen Fasern umfassen. Alternativ kann der Prozessblock 509 lediglich die Ausgabe einer elektronischen Warnung oder eines anderen Signals umfassen, um einen Servicemitarbeiter aufzufordern, einen Füllstoff oder eine Einfüllvorrichtung auf eine der hierin offenbarten Arten anzuwenden.
-
Das RTM-System ECU 25 kann danach Anweisungen ausführen, die dem Prozessblock 511 zugeordnet sind, und ein oder mehrere Steuersignale übertragen, z. B. an die primäre Entlüftung 28 von 1, um Luft aus dem Formhohlraum zu evakuieren, und dann, z. B. an die Harzpumpe 26 von 1, um mit dem Einspritzen von druckbeaufschlagtem Harz 22 in den Formhohlraum 15 durch den primären Einlass 20 zu beginnen. Dabei wird innerhalb des Formhohlraums 15 eine Harzströmungsrate induziert; der fortgesetzte Strom von druckbeaufschlagtem Harz 22 imprägniert die faserbasierte Vorform 14. Wenn keine Mängel festgestellt oder anderweitig erwartet werden, kann die Harzeinspritzung vorübergehend gestoppt und die harzimprägnierte faserbasierte Vorform 14 ausgehärtet werden, z. B. über ein Steuersignal von der Steuerung 25 an ein Systemheizelement (nicht dargestellt), um die Formtemperatur über eine kalibrierte Duroplast-(Glasübergangs)-Temperatur hinaus zu erhöhen. Bei Bedarf kann die Aushärtung durch Einbringen eines Katalysators oder eines anderen Härters und/oder durch Erhöhen des Drucks innerhalb des Formhohlraums 15 unterstützt werden. Vor, gleichzeitig mit oder nach dem Formen und Aushärten des eingespritzten Harzes wird ein sofortiges Signal gesendet, um das Formteil aus der Form 12 zu entfernen, wie bei Block 513 angegeben. Das Verfahren 500 kann danach an der Klemmenleiste 515 enden oder zur Klemmenleiste 501 zurückkehren und in einer Endlosschleife laufen, z. B. zur Herstellung mehrerer GFK-Bauteile.
-
Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Programm von Anweisungen implementiert werden, wie beispielsweise Programmmodulen, die allgemein als Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden, die von einer Steuerung ausgeführt werden, oder die hierin beschriebenen Steuervariationen. Die Software kann in nicht-einschränkenden Beispielen Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen beinhalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, damit ein Computer entsprechend einer Eingabequelle reagieren kann. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Aufgaben in Reaktion auf Daten zu initiieren, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen werden. Die Software kann auf einem beliebigen einer Vielzahl von Speichermedien, wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher (z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM), gespeichert sein.
-
Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzkonfigurationen einschließlich Mehrprozessorsystemen, Mikroprozessor-basierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Mainframe-Computern und dergleichen durchgeführt werden. Zusätzlich können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Umgebungen mit verteilter Datenverarbeitung ausgeführt werden, wobei Aufgaben durch residente und entfernte Verarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. In einer verteilten Computerumgebung können Programmmodule sowohl auf lokalen als auch entfernten Computerspeichermedien einschließlich Speichergeräten angeordnet sein. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
-
Jedes der hierin beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung beinhalten durch: (a) einen Prozessor, (b) eine Steuerung, und/oder (c) jede andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung. Jeder hierin offenbarte Algorithmus, jede Software, Steuerlogik, jedes Protokoll oder Verfahren kann als Software verkörpert sein, die auf einem konkreten Medium gespeichert ist, wie zum Beispiel einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer DVD (Digital Versatile Disk) oder anderen Speichervorrichtungen. Der gesamte Algorithmus, die Steuerlogik, das Protokoll oder Verfahren und/oder Teile derselben können alternativ von einer anderen Vorrichtung als einer Steuerung ausgeführt und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware in einer verfügbaren Art und Weise verkörpert sein (z. B. implementiert durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine feldprogrammierbare Logikvorrichtung (FPLD), diskrete Logik, usw). Auch wenn spezifische Algorithmen mit Bezug auf die hierin abgebildeten Flussdiagramme beschrieben werden, können alternativ viele andere Verfahren zum Implementieren der exemplarischen maschinenlesbaren Anweisungen verwendet werden.
