DE102021000923A1

DE102021000923A1 - Presssystem und Presswerkzeug für ein Presssystem, sowie Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102021000923A1
Application number: DE102021000923.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Schöler; Klaus Schürmann; Fabian Koeffers; Georg Geier; Jens Stellmacher
Original assignee: Siempelkamp Maschinen und Anlagenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Siempelkamp Maschinen und Anlagenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2022-08-25
Also published as: US20240140062A1; JP2024510721A; WO2022175543A1; CN117062713A; EP4294627A1; KR20230147639A

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Presssystem (100) umfassend:- eine Presse (1,1') mit einem ersten Presswerkzeug (2) und einem zweiten Presswerkzeug (3), wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) zur Ausbildung eines Arbeitsraumes (8) relativ zueinander bewegbar sind,- ein Werkstück (19)- eine Druckerzeugungseinrichtung (22) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Druckverlaufs- eine Temperaturerzeugungseinrichtung (23) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Temperaturverlaufs- wobei das Werkstück (19) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf (DVW) durchläuft- wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) durchlaufen das dadurch gekennzeichnet ist, dassdas erste Presswerkzeug (2) und/oder das zweite Presswerkzeug (3), derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf (DVW) des Werkstücks (19) abweicht.Darin beschrieben ist ferner ein Presswerkzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks.

Description

Die Erfindung betrifft ein Presssystem umfassend:

- eine Presse mit einem ersten Presswerkzeug und einem zweiten Presswerkzeug, wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug zur Ausbildung eines Arbeitsraumes relativ zueinander bewegbar sind,
- ein Werkstück
- eine Druckerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück wirkenden Druckverlaufs
- eine Temperaturerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück wirkenden Temperaturverlaufs
- wobei das Werkstück in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf durchläuft
- wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf durchlaufen.

Die Erfindung betrifft zudem ein Presswerkzeug zum Einsatz in einer Presse.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks.
Presssysteme und Presswerkzeuge sind seit langem bekannt. Von einem Presssystem, einer Presse und einem Presswerkzeug spricht man im Gegenteil zu einem Gusssystem, einem Gusswerkzeug oder einer Gießvorrichtung immer dann, wenn das Presssystem wenigstens zwei gegeneinander bewegbar angeordnete Presswerkzeug umfasst beziehungsweise wenn die Presse zur Aufnahme wenigstens zwei gegeneinander bewegbar angeordneter Presswerkzeug geeignet ist, wobei sich durch Relativbewegung der wenigstens zwei Presswerkzeuge ein Arbeitsraum vergrößert oder verkleinert und wobei und der auf das zu bearbeitende Werkstück wirkende Druck unabhängig von einem Einfülldruck wenigstens einer Materialkomponente des Werkstücks ist.
Bestandteil eines Presssystems ist demnach im Gegensatz zur Presse an sich also auch das in der Presse zu herzustellende Werkstück, wobei im Sinne der Vorliegenden Schrift auch eine Bearbeitung eines Werkstücks unter dem Begriff „Herstellung“ verstanden werden soll.
Gattungsfremd gegenüber dem der Erfindung zu Grunde liegenden Presssystem, der Presse sowie dem Pressverfahren sind demzufolge Schleuderguss-, RTM- oder andere Verfahren und deren Anordnungen, bei denen wenigstens eine (Werkstoff-)Komponente des zu erzeugenden Werkstücks in flüssiger Form in den geschlossenen oder wenigstens im Wesentlichen geschlossenen Arbeitsraum eingebracht werden.
Gerade das RTM-Verfahren wird aber nach Stand der Technik in unterschiedlichen Varianten häufig für die Erzeugung von Werkstücken aus Faserverbundwerkstoffen, beispielsweise aus carbonfaserhaltigen Kompositwerkstoffen (CFK), verwendet, obwohl das RTM-Verfahren grundsätzlich wesentliche Nachteile gegenüber einem Pressverfahren aufweist. So bleiben unter Anderem die erzielbaren Ergebnisse hinsichtlich Homogenität, Qualität und Stabilität bei derartigen Verfahren weit hinter denen zurück, die mit einem Pressverfahren erzielbar wären.
Bei Faserverbundwerkstoffen handelt es sich um Verbundwerkstoffe, die im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten bestehen: aus verstärkenden Fasern sowie aus einem Kunststoff, in den die Fasern eingebettet sind („Matrix“ bzw. „Harz“). Durch die Kombination der beiden Hauptkomponenten kann erreicht werden, dass der Verbundwerkstoff insgesamt bessere Eigenschaften aufweist, als die beiden Komponenten allein betrachtet. Beispielsweise tragen die Fasern aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit in Faserrichtung dazu bei, die Zugfestigkeit des Verbundmaterials zu erhöhen. Die Matrix sorgt hingegen beispielsweise dafür, dass die Fasern in ihrer Position gehalten werden und vor mechanischen und chemischen Einflüssen geschützt werden.
Allerdings besteht bei Pressverfahren bisher das Problem, dass sich innerhalb der, aus dem herzustellenden Werkstück und der während des Pressvorgangs auf das Werkstück einwirkenden Presswerkezeuge, bestehenden Presssysteme unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten einstellen. Dieses Phänomen ist allgemein bekannt. Dem Fachmann ist bekannt, dass beim Auskühlen entweder das Presswerkzeug auf das Werkstück oder das Werkstück auf das Presswerkzeug aufschrumpft.
Da Verbundstoffe mit Carbonfaseranteilen, insbesondere Thermoplaste mit eingelagerten Carbonfasernetzen, z.B. CFK selbst aber extrem geringen Längen- bzw. Volumenausdehnungen aufweisen, (wobei z.T. starke Unterschiede in Richtung des Fasergelages oder winklig dazu, insbesondere orthogonal dazu, bestehen, was in deutlich abgeschwächter Form auch für Glasfaserkunststoffe GFK gilt) ist das Herstellen von Werkstücken aus CFK in einem Pressprozess besonders schwierig. Denn im Gegenzug zu ihrem extrem geringen thermischen Ausdehnungsverhalten, halten derartige Verbunde zumindest während ihres thermischen Herstellungs- oder Verarbeitungsprozesses dementsprechend auch kaum eine Zwangsdehnung aus, wenigstens nicht ohne ungewollte Änderungen ihrer für die spätere Anwendung so wichtigen Matrix. Zudem können ungewollte Lufteinschlüsse drohen, was die erzielbare Haltbarkeit wieder deutlich herabsetzt.
Insbesondere wenn in einem temperaturgeführten Verarbeitungsprozess so genannte „Prepregs“ oder „Orangobleche“ verarbeitet werden sollen, kann das thermische Ausdehnungsverhalten der Presswerkzeuge bzw. der Pressmatritzen leicht die maßgebende Grenze der Verarbeitungsmöglichkeiten darstellen, da die Presswerkzeuge bzw. die Pressmatritzen selber entsprechend Temperaturbeständig sein müssen. Zudem müssen sie wirtschaftlich nutzbar ausgeführt sein und entsprechend für hohe Standzeiten auslegt werden. Ferner müssen die Presswerkzeuge bzw. die Pressmatritzen in geeigneten Genauigkeiten herstellbar und ihre Oberflächen gut polierbar sein, sodass sie bisher praktisch ohne Alternative aus Stahl hergestellt werden.
Deshalb werden, wie oben bereits erwähnt, heute viele CFK-Bauteile nach wie vor in so genannten RTM-Verfahren gegossen, statt aus Prepregs gepresst zu werden, auch wenn dies die bereits zuvor beschriebenen Nachteile mit sich bringt.
Erfährt nämlich beispielsweise auch nur ein Presswerkzeug- oder Matrizenteil eine Längen- bzw. Volumenänderung die sich unterschiedlich zu der Längen- bzw. Volumenänderung der Prepregs bzw. Orangobleche oder allgemein des zu erzeugenden bzw. zu bearbeitenden Werkstücks verhält, folgt zwangsweise, dass wenigstens Trägerschichtanteile wenigstens arealweise, innerlich oder bis zu einer Oberfläche reichend Verschiebungen erfahren und in Folge dessen häufig auch wenigstens Strukturanteile zu Bruch gehen und damit nicht mehr die geplante Strukturfestigkeit erhalten können.
Dies ist insbesondere bei der Gestaltung von Großwerkstücken problematisch, da hier unterschiedliche Wandstärken kaum verhindern lassen und sich je nach Wandstärke arealweise unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten einstellen. Zudem ergeben sich bei Großwerkstücken entsprechend große wirksame Hebellängen. Ein Verzug von wenigen Zehntelgrad macht sich in einem Großwerkstück von bspw. über 3m oder gar über 5 m Länge, deutlich stärker störend bemerkbar als in einem Werkstück von normalen Abmaßen, mit maximalen Längen von wenigen Zentimetern bis etwa einem oder anderthalb Metern.
Es kann also sehr leicht zum Verziehen und zur Beschädigung von dem herzustellenden Werkstück kommen. In der Folge steigt die Ausschussrate oder der Nachbearbeitungsaufwand erhöht sich. Fallweise kann aber auch die Herstellung von, möglichst einstückigen, Großwerkstücken wegen Auftreten von strukturellen Beschädigungen durch sich einstellende Spannungen unmöglich sein.
Diese Problematik verstärkt sich umso mehr, je größer die maximale Länge(n) eines Großwerstücks betragen.
Um derartig große Bauteile überhaupt mit genügend gleichmäßigem Druck pressen zu können sind Pressvorrichtungen und -verfahren bekannt, die einseitig über eine Membran hydrostatischen Druck auf das , gegen ein festwerkzeug anliegendes Werkstück aufbringen.
Beispielhaft dazu sei dazu die aus der DE 10 2017 113 595 A1 bekannte Vorrichtung und das Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoff benannt. Eine gleichmäßige Beaufschlagung des herzustellenden Bauteils mit Druck soll dadurch erreicht werden, dass eine flexible Membran auf das Bauteil einwirkt, wobei von der dem Bauteil abgewandten Seite der Membran ein Öldruck auf die Membran einwirkt. Die Membran wird also von einem Öldruck auf die Bauteiloberfläche gepresst. Auf diese Weise soll auch bei gekrümmten Bauteiloberflächen sichergestellt sein, dass der Öldruck allseitig wirkt und somit die von der Membran auf die Bauteiloberfläche wirkende Kraft an jeder Stelle gleich groß ist, insbesondere auch die orthogonal auf die Bauteiloberfläche einwirkende Kraftkomponente.
Die Verwendung einer derartigen „Membranpresse“ zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoff ist auch aus der US 2016/0297153 A1 bekannt.
Eine Herausforderung des Einsatzes einer Membran liegt darin, dass die Membran während des gesamten Herstellvorgangs eine möglichst glatte Oberfläche aufzuweisen muss, um eine gleichmäßige Druckübertragung auf die Bauteiloberfläche zu gewährleisten. Gleichzeitig muss die Membran gegenüber der Kavität, in der der Öldruck aufgebaut wird, zuverlässig abgedichtet sein, aber gleichwohl beweglich gelagert sein, um auch bei thermisch bedingter Expansion oder Kontraktion ihre glatte Oberfläche beizubehalten.
Dennoch bleibt auch bei derartigen Pressvorrichtungen, - verfahren oder -systemen bisher das grundsätzliche Problem von sich innerhalb des Presssystems unterschiedlich einstellenden thermischen Ausdehnungsverhalten, insbesondere des oder der Presswerkzeuge gegenüber dem oder den Werkstücken, ungelöst.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Presssystem bereitzustellen, mit dem qualitativ hochwertige Werkstücke in thermisch geführten Pressvorgängen herstellbar sind.
Insbesondere sollen Qualitätseinbußen Werkstücke mit hoher struktureller Festigkeit auch dann hergestellt werden können, wenn die Werkstücke aus Werkstoffen und/oder Werkstoffgemischen hergestellt werden sollen, die besonders geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Zudem sollen Beschädigungen im strukturellen Aufbau des herzustellenden Werkstücks vermieden oder zumindest verringert werden.
Wenigstens eine dieser Aufgaben wird bei einem Presssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Dabei entspricht der Dehnungsverlauf dem Dehnungsbetrag aufgetragen über einen Zeitraum. Die Erfindung geht also abweichend von bisherigen Ansätzen nicht davon aus, lediglich die maximalen Beträge thermisch bedingter Dehnungen zwischen zwei mit einander agierenden Materialien, hier also dem Presswerkzeugmaterial und dem Werkstückmaterial, zu vergleichen, sondern deren Verläufe und diese in engem Maße von maximal 3,5% temporär anliegendem Unterschied zu begrenzen.
Die Erfinder haben nämlich erkannt, dass nicht die Anpassung der maximalen Dehnungsbeträge zielführend ist, da das Dehnungsverhalten von verschiedenen Werkstoffen, insbesondere von Kompositwerkstoffen, eben nicht linear ist.
Zudem besteht ein allgemein verbreiteter Irrtum darin, dass das Dehnungsverhalten allein werkstoffabhängig sei.
Erfindungsgemäß ist demnach das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht, wobei die Abweichung vom Dehnungsverlauf der Abweichung des Dehnungsbetrages zum selben Zeitpunkt innerhalb eines, dann vorzugsweise durch den Pressprozess definierten, Zeitraums entspricht.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Dehnungsverlauf des ersten Presswerkzeuges und des zweiten Presswerkzeuges während wenigstens 98,0% des Dehnungsverlaufs nur um maximal 3,0% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks oder sogar während wenigstens 98,5% des Dehnungsverlaufs um nur maximal 2,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Ein derartiges Presssystem ist also unter anderem besonders gut für die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen basiert auf der Verwendung von vorgefertigten Faser-Harz-Halbzeugen (sog. „Prepregs“, Kurzform von „preimpregnated fibers“) geeignet. Bei derartigen Halbzeugen sind die Fasern mit einem noch nicht fertig reagierten Harzsystem versehen, so dass die Halbzeuge noch in flexibler Form vorliegen (z.B. bahnförmig, auf Rollen oder plattenförmig). Erst bei der Herstellung der Bauteile werden die Prepregs umgeformt und bei hohem Druck und hohen Temperaturen durch die Vollendung der chemischen Reaktion ausgehärtet. Dieser Schritt kann dann mit großem Vorteil in dem vorliegenden Presssystem erfolgen.
Dementsprechend ist es bevorzugt, dass das Werkstück wenigstens eine erste Komponente und wenigstens eine zweite Komponente umfasst.
Auf diese Weise lassen sich besonders stabile Werkstücke erzeugen und die Vorteile des Presssystems lassen sich auch dann nutzen, wenn nur eine der beiden Werkstoffkomponenten üblicherweise sensibel auf Dehnungsabweichungen reagiert.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn sich die erste Komponente und die zweite Komponente während eines Pressprozesses innerhalb des Arbeitsraumes unter Einwirkung von Druck und Temperatur miteinander verbinden.
So lassen sich Werkstücke von besonders hoher Qualität erzeugen, wobei durch den Einsatz des vorliegenden Presssystems keine in der Praxis wirksamen Verschiebungen, Schwächungen, Überdehnungen mehr zu befürchten sind. Dies gilt insbesondere, wenn die erste Komponente durch Fasern, bspw. in Form eines Fasergeflechts, insbesondere eine Carbonfasergeflechts und die zweite Komponente in Form einer Bettungsmatrix, insbesondere einem Harz, ausgebildet sind.
Ein Gemenge von diesen beiden Komponenten stellen beispielsweise die bereits angesprochenen Prepregs dar.
Prepregs werden beispielsweise in der Luftfahrtindustrie in großen Mengen verarbeitet. Eine Herausforderung bei der Verarbeitung liegt darin, dass in der Luftfahrtindustrie häufig sehr komplexe Bauteilgeometrien erforderlich sind, beispielsweise aufgrund von Verstärkungselementen wie Stringern. Zudem soll der Montageaufwand verringert werden, was durch die Verwendung weniger, aber dafür größerer Bauteile erreicht werden soll. Die Kombination aus komplexen Geometrien und großen Bauteildimensionen stellt erhöhte Anforderungen an Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung dieser Bauteile. Eine Anforderung besteht beispielsweise darin, bei der Herstellung der Bauteile eine gleichmäßige Beaufschlagung mit Druck zu gewährleisten.
Deshalb ist es auch von besonderem Vorteil, wenn das Presssystem ferner eine Membran umfasst, wobei die Membran mit einem der Presswerkzeuge verbunden ist, wobei sich zwischen der Membran und dem mit ihr verbundenen Presswerkzeug eine Kavität für ein Arbeitsmedium ausbildet ist.
Dadurch wirkt im Pressvorgang ein hydrostatischer Druck auf das Werkstück, mit anderen Worten wird das Werkstück zuverlässig in allen Bereichen mit demselben Druck beaufschlagt. Dabei können auch sich arealweise ausbildende Schwankungen durch Addierung von Stärketoleranzen übereinander angeordneter Prepregbahnen oder -platten ausgeglichen werden.
Ist die Membran zudem bereits vor dem Schließen der Presse vorgespannt, wird sichergestellt, dass die Membran bereits zu Beginn der Einwirkung auf das Werkstück eine glatte Oberfläche aufweist und nicht erst durch den von dem in der Kavität befindlichen Arbeitsmedium unter Spannung gesetzt und somit „glatt gezogen“ wird. Dies hat den Vorteil, dass bereits zu Beginn der Temperatur- und Druckeinwirkung eine gleichmäßige Einwirkung der Membran auf das Werkstück erfolgt.
Entsprechend wenigstens einem Teil der bereits zuvor genannten Vorteile ist es in einigen Fällen bevorzugt, wenn die Membran derart gestaltet ist, dass ihr Dehnungsverlauf ebenfalls während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Da dadurch aber die Gestaltungsmöglichkeiten der Membran stark eingeschränkt sind, kann es in anderen Fällen wiederum bevorzugt sein, wenn die Membran derart gestaltet ist, dass ihr Dehnungsverlauf während wenigstens 5,0 % des Dehnungsverlaufs um mehr als 5,0% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Bei der Gestaltung der Membran müssen nämlich viele Gesichtspunkte beachtet werden. So soll die Membran einerseits möglichst flach ausgebildet sein, um Temperatur rasch weiterleiten zu können. Dazu kann sie durch das in der Kavität, wenigstens temporär eingelagerte, Medium, insbesondere Öl, temperierbar gestaltet sein. Zudem muss die Membran aber hohe Zugbelastungen aushalten können, sodass eine Fertigung aus einem Stahlblech, mit Stärken zwischen 0,9 mm und 4,2 mm, insbesondere zwischen 1,5 mm und 3,0 mm bevorzugt sind.
Zudem überträgt sich die Oberfläche der Membran auf eine Oberfläche des Werkstücks. Dazu kann es gewünscht sein, dass die Membran besonders glatt oder nach einem bestimmten, sich arealweise wiederholenden Muster oder zur Erzeugung eines bestimmten Einzelbildes, bspw. in Form eines Reliefs, strukturiert gestaltet ist. Zudem kann es fallweise gewünscht sein, dass die Membran magnetisch ausgelegt sein muss.
Um hier ausreichend Gestaltungsmöglichkeiten zu haben, ist es dann wünschenswert, wenn die Membran hinsichtlich ihres Dehnungsverhaltens nicht besonders eingeschränkt werden muss.
Stattdessen kann es mit Vorteil vorgesehen sein, dass das Presssystem eine Pressebne aufweist und dass die Membran gegenüber dem mit ihr verbundenen Presswerkzeug, vorzugsweise mit wenigstens einer, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Pressebene verlaufenden, Richtungskomponente, bewegbar angeordnet ist.
Dazu kann es mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Membran, vorzugsweise unter Beaufschlagen der Membran mit Druck und/oder Temperatur, vorzugsweise mittels eines Arbeitsmediums in der Kavität, an der sie gegenüber dem Presswerkzeug abdichtenden Dichtung vorbeiführbar ist und vorzugsweise dass die Membran aufgrund der mit ihrer, innerhalb des Pressvorgangs auftretenden, insbesondere temperaturinduzierten, Dehnung in Zusammenhang stehenden Ausdehnungskraft wenigstens abschnittsweise an der Dichtung vorbeigeführt wird.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens das erste Presswerkzeug und/oder wenigstens das zweite Presswerkzeug einen Gusseisenwerkstoff mit einem Nickelgehalt zwischen 36,0 % und 48 %, vorzugsweise zwischen 37,5 % und 47 %, ganz vorzugsweise zwischen 39,25 % und 46% umfasst, und insbesondere zu wenigstens 90% Volumenanteil, %, insbesondere wenigstens 98% vorzugsweise einstückig, daraus gebildet ist.
Das hat den Vorteil, dass der Gusseisenwerkstoff aus dem authentischen Kristallgitter abgekühlt wird und im Temperaturbereich von -60°C bis 440°C, insbesondere im Temperaturbereich von 0°C bis 420°C eine äußerst geringe Volumen- und Längenänderung, (in positiver Richtung: Volumen- bzw. Längenausdehnung) aufweist. Weiter ist von Vorteil, dass das Volumenänderungsverhalten eines derartigen Gusseisenwerkstoffs sich wenigstens innerhalb der genannten Temperaturbereiche, weitgehend im gleichklag mit dem von CFK-Werkstoffen befindet und abhängig von der genauen Festlegung des in diesen Grenzen zu wählenden Nickelgehalts genau auf einzelne CFK-Werkstoffzusammensetzungen abstellbar ist. Zudem ist bei Gusseisenwerkstoff die Wärmeleitfähigkeit auf Grund des ausgeschiedenen Kohlenstoffs in Form von Graphit deutlich besser als bei Stahlguss, sodass ein günstigeres Verhalten des Bauteils im thermischen Prozess gegeben ist.
Von ganz besonderem Vorteil ist es dabei, dass das Volumenänderungsverhalten Eines derartigen Gusseisenwerkstoffs sehr ähnlich zu dem eines GFK-Werkstoffs und insbesondere zu dem eines CFK-Werkstoffs einstellbar ist. Überraschenderweise gilt dies nicht nur für den absoluten Wert bezogen auf eine zu überwindende, beispielsweise durch einen Prozess vorgegebene, Temperaturdifferenz sondern völlig anders als bei bisherigen für vergleichbare Zwecke hergestellten Legierungen anderer Anwendungsgebiete auch für den gesamten Verlauf des der Längen- und/oder Volumenänderung. Nur so ist nämlich das Ziel erreichbar, mikroskopische oder makroskopische Verschiebungen innerhalb der sich bildenden Werkstückstruktur zu minimieren bzw. zu verhindern.
Zudem weist die Legierung als Gusseisenwerkstoff gegenüber einer Stahlgusswerkstofflegierung wesentliche Vorteile auf: Durch die Ausscheidung des gelösten Kohlenstoffs aus der Schmelze während des Erstarrungsprozesses entsteht mit dem Gusseisen letztlich ein Kompositwerkstoff. Durch diesen Ausscheidungsprozess, der mit einer Volumenänderung im Material verbunden ist wird das Schwindungsverhalten des Gusseisens gegenüber dem Stahlguss günstig beeinflusst. Dies führt dann in der Folge zu einem geringeren Schwindungsverhalten, damit letztlich auch zu geringerer Lunkerbildung und dem Vorliegen eines in sich - vor Allem mit Hinblick auf den Verlauf des Längen- oder Volumenänderungsverhaltens unter Temperatureinfluss - deutlich definiteren Verhaltens. Zudem sind daraus herzustellenden Bauteile prozesstechnisch einfacher in solider Qualität erzeugbar, was letztlich auch einen wirtschaftlichen Vorteil beinhaltet. Gleichzeitig ist oftmals keine weitere Wärmebehandlung notwendig, ganz im Gegenteil zu Stahlguss, der regelmäßig einer, dem ursprünglichen Erstarrungsprozess, nachfolgenden Wärmebehandlung zu unterziehen ist, was insbesondere bei großen Bauteilen, bespielsweise bei Presswerkzeugen für große Werkstücke, nicht zuletzt erhebliche wirtschaftliche Vorteile bietet.
Wichtig ist zudem, dass ein Gusseisenwerkstoff im Vergleich zu einem Stahlgusswerkstoff ein erheblich gedämpfteres Schwingungsverhalten eines Presswerkzeugs ermöglicht. Dies ist besonders wichtig, da die Taktzeit in der ein Presssystem öffnet und wieder schließt, aber auch die Schließ- (und selbstverständlich die Öffnungszeit) für einen wirtschaftlich erfolgreichen Einsatz des Presssystems entscheidend sein können.
Mit darauf gerichtetem Blick ist es deshalb auch besonders bevorzugt, dass der Gusseisenwerkstoff weiter 1,0 % bis 5,5 %, vorzugsweise 1,5 % bis 4,0 % Kohlenstoff umfasst.
Ganz besonders bevorzugt ist der Gusseisenwerkstoff wie folgt charakterisiert: Gusseisenwerkstoff, der zumindest folgende Anteile in Gewichtsprozent als Elemente oder als Verbindungen von:

Kohlenstoff im Bereich von ca. 1,0% bis 4,0%, Silizium im Bereich von ca. 1,0% bis 5,0%, Mangan im Bereich von ca. 0,1% bis 1,5%, Nickel im Bereich von ca. 36,5% bis 48,0%, Chrom im Bereich von ca. 0,01% bis 0,25%, Phosphor bis ca. 0,08%, Kupfer bis ca. 0,5%, Magnesium bis ca. 0,15%, umfasst, wobei der Rest Eisen umfasst. Der Gusseisenwerkstoff kann zudem einen Anteil von Magnesium im Bereich von ca. 0,020% bis 0,150%, bevorzugt von ca. 0,040% bis 0,100%, besonders bevorzugt von ca. 0,065% bis 0,090% aufweisen. Weiter kann der Gusseisenwerkstoff einen Anteil von Silizium im Bereich von ca. 1,0% bis 4,5%, bevorzugt von ca. 1,0% bis 2,5%, besonders bevorzugt von ca. 1,3% bis 2,0% umfassen.

Bevorzugter Weise durchläuft das Presssystem zur Herstellung des Werkstücks einen Presszyklus und der Presszyklus einen, im Arbeitsraum wirkenden, Temperaturunterschied von 100 K bis 500 K, vorzugsweise von 170 K bis 450 K, ganz vorzugsweise von 190 K bis 250 K.
Der Presszyklus, der neben dem eigentlichen Pressvorgang auch das Öffen und Schließen der Presse umfasst, soll also zumindest einmal einen Temperaturunterschied von mindestens 100 K (1K = 1 Grad Kelvin) durchlaufen. Der Temperaturunterschied soll jedoch 500 K nicht überschreiten.
Der genannte Bereich, aber auch die innerhalb dieses Bereichs bevorzugten Bereiche sollen dabei im Allgemeinen von einer, je nach Jahreszeit und Ortsumgebung herrschenden Umgebungs- bzw. Raumtemperatur, normalerweise also ab -20°C bis ab +45°C ihren Ausgangspunkt haben.
Dieses Temperaturfenster ist für die meisten thermisch geführten Prozesse zur Herstellung von Werkstücken, insbesondere aus CFK, oder GFK, ausreichend und angemessen.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Arbeitsraum durch eine erste Raumachse, eine zweite Raumachse und eine dritte Raumachse definiert ist und wenigstens in Richtung einer der Raumachsen entlang einer Strecke von wenigstens 1,3 m, vorzugsweise wenigstens 3,5 m, ganz vorzugsweise wenigstens von 5 m, weiter bevorzugt von wenigstens 8 m und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 10,5 m ausgebildet ist.
Auf diese Weise lassen sich Werkstücke mit großen Baulängen, bspw. Karrosserieteile für Fahrzeuge, insbesondere PKW, LKW, Luftfahrzeuge, Boote und Schiffe, aber auch Rotorblätter für Windkraftanlagen oder ähnlich große Werkstücke herstellen. Bei großen Werkstücken kommen die genannten Vorteile des Presssystems ganz besonders stark zum Tragen.
Bei einem Presswerkzeug zum Einsatz in einer Presse mit einem ersten Presswerkzeug und einem zweiten Presswerkzeug, wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug zur Ausbildung eines Arbeitsraumes relativ zueinander bewegbar sind, und wobei das Presswerkzeug derart gestaltet ist, dass es mit einer Druckerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück wirkenden Druckverlaufs und einer Temperaturerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück wirkenden Temperaturverlaufs in Wirkverbindung bringbar ist, wird wenigstens eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass das Presswerkzeug für ein Presssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgelegt ist.
Die damit verbundenen Vorteile sind für den Fachmann aus dem das Presssystem beschreibenden Teil der vorliegenden Patentanmeldung ersichtlich und gelten hier sinngemäß. Selbstverständlich ist das Presswerkzeug also nicht nur zum Einsatz in einer Presse, sondern auch zum Einsatz in einem Presssystem vorgesehen.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer eine Presse mit einer Druckerzeugungseinrichtung und einer Temperaturerzeugungseinrichtung; Bereitstellen eines (zu erzeugenden) Werkstücks; Einlegen des Werkstücks in einen Arbeitsbereich zur Bildung eines Presssystems; Schließen der Presse;
Beaufschlagen des Werkstücks mit Druck und/oder Temperatur; Öffnen der Presse; Wird wenigstens eine der der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe dadurch gelöst, dass das Werkstück in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf durchläuft, wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf durchlaufen und das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Dabei ist es bevorzugt, dass zur Durchführung des Verfahrens ein Presssystem nach einem der zugehörigen Ansprüche verwendet wird.
Ferner ist dabei bevorzugt, dass das zu bildende Werkstück in Form von mehreren Prepregs in einem festen Aggregatzustand in die Presse, insbesondere in den Arbeitsraum eingelegt wird.
Die die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder seinen bevorzugten Ausgestaltungen verbundenen Vorteile sind für den Fachmann aus dem das Presssystem beschreibenden Teil der vorliegenden Patentanmeldung ersichtlich und gelten hier sinngemäß.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1A: eine erste Ausgestaltung einer Presse zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Querschnitt in geöffneter Stellung ohne eingelegtes Werkstück,
1B: die Presse aus 1A in geöffneter Stellung mit eingelegtem Werkstück,
Fig. IC: die Presse aus 1A in geschlossener Stellung,
2: Dehnungsverläufe
3: den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.

1A zeigt eine erste Ausgestaltung einer Presse 1 zur Bildung eines Presssystems 100 und zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkstücks 19, im Querschnitt in geöffneter Stellung ohne eingelegtes Werkstück 19. Die Presse 1 umfasst ein erstes - oberes - Presswerkzeug 2 sowie ein zweites - unteres - Presswerkzeug 3. Die beiden Presswerkzeuge 2, 3 sind relativ zueinander bewegbar, beispielsweise in vertikaler Richtung (Z-Richtung) (in 1 angedeutet durch Pfeile). Zudem umfasst die Presse eine Membran 4, die mit dem oberen Presswerkzeug 2 verbunden ist. Alternativ zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung könnte die Membran 4 auch mit dem unteren Presswerkzeug 3 verbunden sein. In weiterer alternativer Ausgestaltung könnte neben der Membran auch eine zweite Membran vorgesehen sein, sodass sowohl das erste, wie auch das zweite Werkzeug mit einer Membran verbunden wären. Ferner wäre denkbar, dass eine einzige Membran sowohl mit dem ersten Presswerkzeug 2, wie auch mit dem zweiten Presswerkzeug 3 verbunden und dazu vorzugsweise umgelenkt, bspw. um 180°, angeordnet wäre.
Zwischen der Membran 4 und dem mit ihr verbundenen oberen Presswerkzeug 2 bildet sich eine Kavität 5 für ein Arbeitsmedium, beispielsweise Öl. Die Membran 4 ist aus Metall hergestellt und weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich zwischen 0,05 mm und 3,5 mm, vorzugsweise aber zwischen 0,2 mm und 2,2 mm auf. Die Kavität 5 kann über einen Kanal 6 mit dem Arbeitsmedium befüllt werden. Sowohl in dem oberen Presswerkzeug 2 als auch in dem unteren Presswerkzeug 3 sind Bohrungen 7 vorgesehen, durch die ein Heiz- und/oder Kühlmedium geleitet werden kann.
Bei der in 1A gezeigten Ausgestaltung der Presse 1 ist in dem unteren Presswerkzeug 3 ein Arbeitsraum 8 vorgesehen, in den ein (in 1A noch nicht gezeigtes) Werkstück 19 eingelegt werden kann. Abweichend dazu kann auch ein Teil des Arbeitsraumes durch das zweite Presswerkzeug 3 gebildet sein. Da das in 1B und 1C dargestellte Werkstück 19 aber vorzugsweise aus einer ersten Komponente 24 und einer zweiten Komponente 25 gebildet sein soll, die während eines Pressprozesses innerhalb des Arbeitsraumes 8 unter Einwirkung von Druck und Temperatur miteinander verbunden werden, ist es vorteilhaft, wenn der zur Ausbildung des Arbeitsraums 8 vorgesehene Freiraum im unteren Presswerkzeug 3 vorgesehen ist.
Die beiden Presswerkzeuge 2, 3 weisen eine Führung 9 auf, die beispielsweise durch einen Vorsprung 9A und eine Ausnehmung 9B gebildet sein kann, wobei der Vorsprung 9A an dem unteren Presswerkzeug 3 vorgesehen sein kann und wobei die Ausnehmung 9B an dem oberen Presswerkzeug 2 vorgesehen sein kann.
Das Einwirken der Druckerzeugungseinrichtung 22 sowie der Temperaturerzeugungseinrichtung ist durch Pfeile angedeutet. Selbstverständlich ist es bevorzugt, dass auch die Temperaturerzeugungseinrichtung 23 auf beide Presswerkzeuge 2 und 3 einwirkt, während sich die Druckerzeugungseinrichtung 22 bei geschlossener Presse automatisch auf alle, den Arbeitsraum 8 begrenzenden Bauteile auswirkt. Insbesondere kann die Druckerzeugungseinrichtung, wenigstens mit einem Teil ihrer Leistung, auch auf die, durch die Membran 4 begrenzte Kavität 5 einwirken.
Die Membran 4 ist mit dem oberen Presswerkzeug 2 auf die folgende Weise verbunden: Das obere Presswerkzeug 2 weist ein umlaufendes Randelement 10 auf, das mit dem oberen Presswerkzeug 2 verschraubt ist (die Verschraubung ist in 1A nicht dargestellt). Zwischen dem oberen Presswerkzeug 2 und seinem Randelement 10 bildet sich ein Spalt 11, durch den die Membran 4 hindurch geführt wird. Der Spalt 11 mündet in einen Hohlraum 12, in dem eine Klemmeinrichtung 13 vorgesehen ist, in die die Membran 4 eingeklemmt ist. Die Klemmeinrichtung 13 ist mit einem Zuganker 14 verbunden, der durch eine Öffnung aus dem oberen Presswerkzeug 2 und dem Randelement 10 herausgeführt wird und dort durch eine sich an der Außenfläche abstützende Feder 15 nach außen gedrückt wird, wodurch die Membran 4 mit einer Vorspannung versehen wird. Zur Abdichtung der Kavität 5 ist in dem Spalt 11 eine Dichtung 16 vorgesehen, die eine Bewegung der Membran 4 erlaubt. Angrenzend an die Dichtung 16 ist eine Einrichtung 17 zur Veränderung der Dichtungskraft F_D vorgesehen. Angrenzend an die Feder 15 ist eine Einrichtung 18 zur Veränderung der Federkraft F_F vorgesehen.
1B zeigt die Presse 1 aus 1A in geöffneter Stellung mit eingelegtem Werkstück 19. Diejenigen Bereiche der Presse 1, die bereits zuvor beschrieben worden sind, sind in 1B mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zu der in 1A gezeigten Stellung liegt darin, dass das (zu bildende) Werkstück 19 in den Arbeitsraum 8 des unteren Presswerkzeugs 3 eingelegt worden ist. Dabei besteht das vorzugsweise noch zu bildende Werkstück 19 aus einer ersten Komponente 24 und einer zweiten Komponente 25, die in Form von so genannten Prepregs oder Organoblechen in einer Vielzahl von dünnen Lagen übereinandergestapelt sind. Die einzelnen Prepregs weisen dabei Stärken von 0,12 mm bis 0,72 mm, bevorzugt 0,16 mm bis 0,32 mm auf und bestehen aus in eine Matrix aus Harz eingelegten Faser-, insbesondere Carbonfaser-, Geflechten. Die chemische Verbindung zwischen der Matrix (Harz) und den Fasern, bzw. dem Fasergeflecht, wird dabei erst innerhalb des Presssystems 100, also während eines Presszyklus, unter Einwirkung von Druck und Temperatur abgeschlossen.
1C zeigt die Presse 1 aus 1A in geschlossener Stellung. Diejenigen Bereiche der Presse 1, die bereits zuvor beschrieben worden sind, sind auch in 1C mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Presse 1 wurde geschlossen, indem die beiden Presswerkzeuge 2, 3 aufeinander zu bewegt worden sind. In der in 1C gezeigten Stellung wird das Werkstück 19 mit Druck und Temperatur beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit Druck erfolgt, indem ein Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, durch den Kanal 6 in die Kavität 5 geleitet wird, wodurch die Membran 4 in Richtung des Werkstücks 19 gepresst wird. Alternativ kann die Kavität 5 aber auch bereits mit dem Arbeitsmedium gefüllt sein. Dabei kann das Arbeitsmedium gegen ein Druckbegrenzungsventil in der Kavität gelagert und bereits vorgespannt sein. Beim Schließen der Presse kann sich dann der Druck des Arbeitsmediums innerhalb der Kavität erhöhen und damit in Reaktion auch auf das (sich bildende) Werkstück ausgeübt werden. Der Druck des Arbeitsmediums kann dann beim Schließen der Presse 1,1' beispielsweise aus einem Vorspannungsbereich zwischen 1,2 bar und 2,5 bar auf einen Arbeitsbereich zwischen 16 bar und 50 bar, in Extremfällen sogar bis 70 bar ansteigen und in diesem Level für eine Pressdauer gehalten werden.
Die Beaufschlagung mit Temperatur kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: Eine Möglichkeit besteht darin, das durch den Kanal 6 in die Kavität 5 geleitete Arbeitsmedium zu erhitzen, so dass die Wärme von dem in der Kavität 5 befindlichen Arbeitsmedium durch die Membran 4 auf das Werkstück 19 übertragen wird. Umgekehrt könnte das Arbeitsmedium gekühlt werden, um das Werkstück 19 zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann vorgesehen sein, dass die Bohrungen 7 von einem Heiz- und/oder Kühlmedium durchströmt werden, wodurch zunächst die beiden Presswerkzeuge 2, 3 und anschließend auch das Werkstück 19 aufgeheizt oder abgekühlt werden können. Infolge der Druckeinwirkung ist das Werkstück 19 in der in 1C gezeigten Stellung komprimiert.
Das dargestellte Presssystem 100 umfassend: eine Presse 1, mit einem ersten Presswerkzeug 2 und einem zweiten Presswerkzeug 3, wobei das erste Presswerkzeug 2 und das zweite Presswerkzeug 3 zur Ausbildung eines Arbeitsraumes 8 relativ zueinander bewegbar sind, ein Werkstück 19, eine Druckerzeugungseinrichtung 22, zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum 8 befindliche Werkstück 19 wirkenden Druckverlaufs, eine Temperaturerzeugungseinrichtung 23 zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum 8 befindliche Werkstück 19 wirkenden Temperaturverlaufs, wobei das Werkstück 19 in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum 8 wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum 8 wirkenden Temperaturverlauf einen in 2 dargestellten Dehnungsverlauf DVW durchläuft, wobei das erste Presswerkzeug 2 und das zweite Presswerkzeug 3 in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum 8 wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen, ebenfalls in 2 dargestellten Dehnungsverlauf DVP1, DVP2 durchlaufen, ist hier dadurch charakterisiert, das erste Presswerkzeug 2 und/oder das zweite Presswerkzeug 3, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf DVP1, DVP2 wie in 2 ersichtlich während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf DVW des Werkstücks 19 abweicht.
Das Presssystem 100 durchläuft zur Herstellung des Werkstücks 19 dabei also einen Presszyklus. Der Presszyklus kann dabei einen, im Arbeitsraum 8 wirkenden, Temperaturunterschied von 100 K bis 500 K, vorzugsweise von 170 K bis 450 K, ganz vorzugsweise von 190 K bis 250 K durchlaufen, wobei während des gesamten Presszyklus gilt, dass der Dehnungsverlauf DVP1, DVP2 während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf DVW des Werkstücks 19 abweicht.
Dazu ist das erste Presswerkzeug 2 und/oder das zweite Presswerkzeug 3 vorzugsweise aus einem Gusseisenwerkstoff gebildet, der einen Nickelgehalt zwischen 36,0 % und 48 %, umfasst, und insbesondere zu wenigstens 90% Volumenanteil, vorzugsweise einstückig, daraus gebildet ist.
Der Gusseisenwerkstoff umfasst weiter 1,0 % bis 5,5 %, vorzugsweise 1,5 % bis 4,0 % Kohlenstoff und ist vorzugsweise wie folgt charakterisiert: Gusseisenwerkstoff der zumindest folgende Anteile in Gewichtsprozent als Elemente oder als Verbindungen von: Kohlenstoff im Bereich von ca. 1,0% bis 4,0%, Silizium im Bereich von ca. 1,0% bis 5,0%, Mangan im Bereich von ca. 0,1% bis 1,5%, Nickel im Bereich von ca. 36,5% bis 48,0%, Chrom im Bereich von ca. 0,01% bis 0,25%, Phosphor bis ca. 0,08%, Kupfer bis ca. 0,5%, Magnesium bis ca. 0,15%, umfasst, wobei der Rest Eisen umfasst. Der Gusseisenwerkstoff kann zudem einen Anteil von Magnesium im Bereich von ca. 0,020% bis 0,150%, bevorzugt von ca. 0,040% bis 0,100%, besonders bevorzugt von ca. 0,065% bis 0,090% aufweisen. Weiter kann der Gusseisenwerkstoff einen Anteil von Silizium im Bereich von ca. 1,0% bis 4,5%, bevorzugt von ca. 1,0% bis 2,5%, besonders bevorzugt von ca. 1,3% bis 2,0% umfassen.
Der Arbeitsraum 8 des in den 1 A bis 1C und 2 dargestellten Presssystems 100 ist durch eine erste Raumachse X, eine zweite Raumachse Y und eine dritte Raumachse Z definiert, und ist wenigstens in Richtung einer der Raumachsen X, Y, Z entlang einer Strecke L von wenigstens 1,3 m, vorzugsweise wenigstens 3,5 m, ganz vorzugsweise wenigstens von 5 m, weiter bevorzugt von wenigstens 8 m und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 10,5 m ausgebildet.
In 2 ist entlang der horizontalen Achse der Zeitverlauf eines Presszyklus des Presssystems 100 dargestellt. Entlang der vertikalen Achse werden die Dehnungsbeträge über die Zeit aufgetragen, sodass sich als Kurven die Dehnungsverläufe DVM, DVW, DVP1 und DVP2 ergeben, deren Werte jeweils vom Einwirken des im Arbeitsraum wirkenden Druckverlaufs und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf abhängig sind. Dabei erfahren die Presswerkzeuge 2 und 3 die im Arbeitsraum wirkenden Druck- und Temperaturverläufe, wenigstens aber den im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf nur sekundär, da es nicht zu den Aufgaben eines Presssystems 100 gehört möglichst viele Systemteile thermisch zu beaufschlagen. Dies wäre, ökologisch und ökonomisch gesehen, Unfug. Dennoch weichen die Dehnungsverläufe DVP1 und DVP2 der beiden Presswerkzeuge 2 und 3 über wenigstens 97,5% ihres Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks 19 ab. Tatsächlich ist es sogar so, dass abgesehen von einer kleinen Zeitverzögerung, die hier zur besseren Sichtbarkeit sogar unmaßstäblich vergrößert ist, und maximal bis zu 1%, äußerst maximal jedoch bis zu höchstens 2% der Presszykluszeit andauert und in der der maximale Unterschied im Dehnungsverhalten zwischen DVP1 bzw. DVP2 zu DVW noch unter einem 1,5% beträgt, liegen die Kurven praktisch dauerhaft während der gesamten Prozesszykluszeit praktisch exakt aufeinander und sind deshalb im weiteren Verlauf von t auch auf derselben Linie dargestellt.
Dagegen zeigt 2 auch klar, dass der Dehnungsverlauf der Membran 4 während wenigstens 7,5% ihres Dehnungsverlaufs um mehr als 5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks zum selben Zeitpunkt gesehen abweicht.
Das Dehnungsverhalten der Membran 4 ist zudem viel stärker Linear ausgeprägt.
Natürlich können auch die Dehnungsverlaufkurven des Werkstücks und der Presswerkzeuge andere Kurvenformen annehmen. Ausschlaggebend bleibt, dass das erste Presswerkzeug 2 und/oder das zweite Presswerkzeug 3, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf DVP1, DVP2 während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf DVW des Werkstücks 19 abweicht.
Der ist im dargestellten Beispiel gezeigte stärkere Abfall der Kurven hängt mit der rasanten Kühlung des ausgewählten Pressverfahrens ab. Grundsätzlich können aber Heiz- und Kühlrate auch gleichwertig ausfallen. Fallweise ist auch denkbar, dass der Aufheizprozess rasanter gefahren wird, als der Abkühlprozess. Wie dargestellt ist normalerweise zwischen Aufheiz- und Abkühlprozessanteil ein Halteteil vorgesehen, in dem Druck und Temperatur auf einem Niveau gehalten werden. Das Ausdehnungsverghalten passt sich dann im Allgemeinen an, kann aber leicht nachkriechen und deshalb eine leicht verrundete Form annehmen, die ebenfalls etwas übertrieben dargestellt ist.
3 zeigt schließlich den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 in schematischer Darstellung. Das Verfahren 100 umfasst die folgenden Schritte: 101: Bereitstellen einer Presse, 102: Bereitstellen eines Werkstücks, 103: Einlegen des Werkstücks, 104: Schließen der Presse, 105: Beaufschlagen des Werkstücks mit Druck und/oder mit Temperatur, 106: Öffnen der Presse.
Bezugszeichenliste

1, 1': Presse
2: erstes (oberes) Presswerkzeug
3: zweites (unteres) Presswerkzeug
4: Membran
5: Kavität
6: Kanal
7: Bohrung
8: Arbeitsraum
9: Führung
9A: Vorsprung
9B: Ausnehmung
10: Randelement
11: Spalt
12: Hohlraum
13: Klemmeinrichtung
14: Zuganker
15: Feder
16, 16': Dichtung
17, 17': Einrichtung (zur Veränderung der Dichtungskraft F_D)
18: Einrichtung (zur Veränderung der Federkraft F_D)
19: Werkstück
22: Druckerzeugungseinrichtung
23: Temperaturerzeugungseinrichtung
24: erste Komponente
25: zweite Komponente
26: Pressebene
100: Presssystem
A: Anfang des Presszyklus
E: Ende des Presszyklus
DVM: Dehnungsverlauf der Membran
DVP1: Dehnungsverlauf des ersten Presswerkzeuges
DVP2: Dehnungsverlauf des ersten Presswerkzeuges
DVW: Dehnungsverlauf des Werkstücks
L: Strecke
p: Druck
t: Zeit
T: Temperatur
X: Erste Raumrichtung (Längsrichtung)
Y: Zweite Raumrichtung (Breitenrichtung)
Z: Dritte Raumrichtung (Höhenrichtung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017113595 A1 [0018]
US 2016/0297153 A1 [0019]

Claims

Presssystem (100) umfassend: - eine Presse (1,1') mit einem ersten Presswerkzeug (2) und einem zweiten Presswerkzeug (3), wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) zur Ausbildung eines Arbeitsraumes (8) relativ zueinander bewegbar sind, - ein Werkstück (19) - eine Druckerzeugungseinrichtung (22) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Druckverlaufs - eine Temperaturerzeugungseinrichtung (23) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Temperaturverlaufs - wobei das Werkstück (19) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf (DVW) durchläuft - wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) durchlaufen dadurch gekennzeichnet, dass das erste Presswerkzeug (2) und/oder das zweite Presswerkzeug (3), derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf (DVW) des Werkstücks (19) abweicht.
Presssystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (19) wenigstens eine erste Komponente (24) und wenigstens eine zweite Komponente (25) umfasst.
Presssystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Komponente (24) und die zweite Komponente (25) während eines Pressprozesses innerhalb des Arbeitsraumes (8) unter Einwirkung von Druck und Temperatur miteinander verbinden.
Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presssystem (100) ferner eine Membran (4) umfasst, wobei die Membran (4) mit einem der Presswerkzeuge (2, 3) verbunden ist, wobei sich zwischen der Membran (4) und dem mit ihr verbundenen Presswerkzeug (2, 3) eine Kavität (5) für ein Arbeitsmedium ausbildet ist.
Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) derart gestaltet ist, dass ihr Dehnungsverlauf (DVM) ebenfalls während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks (DVW) abweicht.
Presssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) derart gestaltet ist, dass ihr Dehnungsverlauf (DVM) während wenigstens 7,5% des Dehnungsverlaufs um mehr als 5,0% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks (DVW) abweicht.
Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presssystem (100) eine Pressebne (26) aufweist und dass die Membran (4) gegenüber dem mit ihr verbundenen Presswerkzeug (2, 3), vorzugsweise mit wenigstens einer, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Pressebene (26) verlaufenden, Richtungskomponente bewegbar angeordnet ist.
Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das erste Presswerkzeug (2) und/oder wenigstens das zweite Presswerkzeug (3) einen Gusseisenwerkstoff mit einem Nickelgehalt zwischen 36,0 % und 48 %, vorzugsweise zwischen 37,5 % und 47 %, ganz vorzugsweise zwischen 39,25 % und 46% umfasst, und insbesondere zu wenigstens 90%, insbesondere wenigstens 98% Volumenanteil, vorzugsweise einstückig, daraus gebildet ist.
Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff weiter 1,0 % bis 5,5 %, vorzugsweise 1,5 % bis 4,0 % Kohlenstoff umfasst.
Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presssystem (100) zur Herstellung des Werkstücks (19) einen Presszyklus durchläuft und der Presszyklus einen, im Arbeitsraum (8) wirkenden, Temperaturunterschied von 100 K bis 500 K, vorzugsweise von 170 K bis 450 K, ganz vorzugsweise von 190 K bis 250 K, durchläuft.
Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (8) durch eine erste Raumachse (X), eine zweite Raumachse (Y) und eine dritte Raumachse (Z) definiert ist und wenigstens in Richtung einer der Raumachsen (X, Y, Z) entlang einer Strecke (L) von wenigstens 1,3 m, vorzugsweise wenigstens 3,5 m, ganz vorzugsweise wenigstens von 5 m, weiter bevorzugt von wenigstens 8 m und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 10,5 m ausgebildet ist.
Presswerkzeug (2, 3) zum Einsatz in einer Presse (1, 1') mit einem ersten Presswerkzeug (2) und einem zweiten Presswerkzeug (3), wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) zur Ausbildung eines Arbeitsraumes (8) relativ zueinander bewegbar sind, und wobei das Presswerkzeug (2, 3) derart gestaltet ist, dass es mit einer Druckerzeugungseinrichtung (22) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Druckverlaufs und einer Temperaturerzeugungseinrichtung (23) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Temperaturverlaufs in Wirkverbindung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass es für ein Presssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgelegt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, umfassend folgende Schritte: - Bereitstellen (101) einer eine Presse (1) mit einer Druckerzeugungseinrichtung (22) und einer Temperaturerzeugungseinrichtung (23) - Bereitstellen (102) eines (zu erzeugenden) Werkstücks (19) - Einlegen (103) des Werkstücks (19) in einen Arbeitsbereich (8) zur Bildung eines Presssystems (100) - Schließen (104) der Presse (1) - Beaufschlagen (105) des Werkstücks (19) mit Druck (p) und/oder Temperatur (T) -Öffnen (106) der Presse, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (19) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf (DVW) durchläuft, wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) durchlaufen und das erste Presswerkzeug (2) und/oder das zweite Presswerkzeug (3), derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf (DVW) des Werkstücks (19) abweicht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens ein Presssystem (100) nach einem der zugehörigen Ansprüche verwendet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bildende Werkstück (19) in Form von mehreren Prepregs in einem festen Aggregatzustand in die Presse (1), insbesondere in den Arbeitsraum (8) eingelegt wird.