DE102021126934A1

DE102021126934A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102021126934A1
Application number: DE102021126934.2A
Authority: DE
Inventors: Timm Erik Braselmann; Wolfgang Böhm
Original assignee: Neue Mat Fuerth GmbH; Neue Materialien Fuerth GmbH
Current assignee: Neue Mat Fuerth GmbH; Neue Materialien Fuerth GmbH
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, welches ein Fasermaterial (12) und ein thermoplastisches Matrixmaterial (13) enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:a) Bereitstellen eines Formnests (11), welches eine Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit bezüglich des herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist;b) Bereitstellen eines das Fasermaterial (12) enthaltenden Halbzeugs (14);c) Erwärmen des Halbzeugs (14) und des Formnests (11) mittels wenigstens einer Heizvorrichtung (2, 3);d) Einsetzen des Halbzeugs (14) und des Formnests (11) in ein gegenüber dem Halbzeug kühleres Werkzeug (4);e) Schließen des Werkzeugs (4), sodass das Halbzeug (14) im Werkzeug (4) verformt wird;f) Öffnen des geschlossenen Werkzeugs (4); undg) Entfernen des Formnests (11) vom verformten Halbzeug (14) und Erhalten des Faserverbundbauteils, wobei das Halbzeug (14) und das Formnest (11) in einer im geschlossenen Werkzeug (4) eingesetzten Stellung abkühlen, indem sie Wärme an das Werkzeug (4) abgeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
Auf dem Gebiet der Herstellung eines Faserverbundbauteils, welches ein Fasermaterial und ein thermoplastisches Matrixmaterial enthält, sind Verfahren mit variothermer Werkzeugtemperierung, auch dynamische Werkzeugtemperierung genannt, bekannt. Diese erlauben insbesondere eine hohe Bauteilkonturtreue, ein gezieltes Abformen feinster Strukturen auf dem Faserverbundbauteil und eine hohe Oberflächenqualität. Es ist bekannt, ein variables Temperaturprofil eines variothermen Prozesses durch gezielte Erwärmung und Abkühlung eines Werkzeugs zu realisieren.
Ferner offenbart der Artikel Tekkaya, A. E. et al.: „Umformen faserverstärkter thermoplastischer Kunststoff-Halbzeuge mit metallischen Deckblechen für den Leichtbau“ in: „Intermezzo der hybriden Werkstofflösungen: Hat Blech eine Zukunft?“ (Tagungsband ESB-Kolloquium Blechverarbeitung), 2015, Seiten 185 bis 199 ein hybrides Faserkunststoffverbund-Halbzeug mit metallischen Deckblechen. Dabei wird ein Faserkunststoffverbund zwischen zwei Metallblechen als Halbzeug erwärmt, gemeinsam umgeformt und abgekühlt.
Die DE 10 2012 010 469 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils, bei welchem aus einem Faserhalbzeug ein Preform-Halbzeug erzeugt und wenigstens bereichsweise mit Kunststoff versehen wird. Das Verfahren umfasst die Schritte Einlegen des Faserhalbzeugs in temperierbare Schalenelemente eines Preform-Werkzeugs und Erzeugen des Preform-Halbzeugs; Anordnen des Preform-Halbzeugs gemeinsam mit den Schalenelementen in einem weiteren Werkzeug zum Versehen mit dem Kunststoff; und Aushärten des Bauteils.
Die DE 38 21 312 A 1 offenbart ein Spritzgusswerkzeug mit auswechselbarem Formnesteinsatz. Der Formnesteinsatz befindet sich nur während des Einspritzens und einer Nachdruckphase im Werkzeug.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit zur Ausbildung einer Formkontur und/oder Oberflächenbeschaffenheit des Faserverbundbauteils in einem variothermen Herstellungsprozess anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, welches ein Fasermaterial und ein thermoplastisches Matrixmaterial enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines Formnests, welches eine Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit bezüglich des herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist;
b) Bereitstellen eines das Fasermaterial enthaltenden Halbzeugs;
c) Erwärmen des Halbzeugs und des Formnests mittels wenigstens einer Heizvorrichtung;
d) Einsetzen des Halbzeugs und des Formnests in ein gegenüber dem Halbzeug kühleres Werkzeug;
e) Schließen des Werkzeugs, sodass das Halbzeug im Werkzeug verformt wird;
f) Öffnen des geschlossenen Werkzeugs; und
g) Entfernen des Formnests vom verformten Halbzeug und Erhalten des Faserverbundbauteils,

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, das Halbzeug und das Formnest außerhalb des Werkzeugs zu erwärmen und diese in das Werkzeug einzusetzen, sodass im Formnest gespeicherte Wärme zur Steuerung des Temperaturverlaufs der Abkühlung des Halbzeugs im geschlossenen Werkzeug genutzt werden kann. Je nach Ausgestaltung des Formnests in Abhängigkeit des Halbzeugs und des Werkzeugs lassen sich so auf die gewünschte Ausbildung einer Formkontur bzw. Oberflächenbeschaffenheit des Faserverbundbauteils abgestimmte Temperaturverläufe realisieren, die eine hohe Bauteilkonturtreue, eine Formung feinster Strukturen auf dem Faserverbundbauteil und eine hohe Oberflächenqualität ermöglichen. Mit besonderem Vorteil kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Abkühlung des Halbzeugs wesentlich schneller erfolgen als bei herkömmlichen Prozessen, bei denen ein verhältnismäßig massives, in das Werkzeug eingesetztes Formnest temperiert werden muss, um den Temperaturverlauf zu steuern. Insbesondere kann das erfindungsgemäß vorgesehene Formnest wesentlich masseärmer ausgestaltet sein, als das massive Formnest, sodass die Temperierung auch einen geringeren Energieaufwand erfordert. Ebenso ist eine homogene Temperaturverteilung beim Erwärmen und Abkühlen des Halbzeugs möglich. Bei herkömmlichen variothermen Prozessen wird außerdem ein hoher Aufwand betrieben, um eine konturnahe Temperierung des Werkzeugs zu erreichen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dieser Aufwand durch die Verwendung der außerhalb des Werkzeugs erwärmten Formnester entfallen. Es ist ferner von Vorteil, dass bei einer Veränderung der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit oder bei einem Verschleiß eines Formnests lediglich eine Bereitstellung eines neuen Formnests ohne zeitaufwändige und kostenträchtige Nachbearbeitung ganzer Formeinsätze einschließlich etwaiger Temperierkanäle etc. möglich ist. Ebenso lassen sich aufgrund der homogenen Temperaturverteilung im Formnest an kleinen Bauteilen ermittelte Prozessparameter, wie z. B. die Umformtemperatur, auf große Faserverbundbauteile übertragen, ohne die Temperierung im Werkzeug neu auslegen zu müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem kostengünstig.
Unter einem Halbzeug im erfindungsgemäßen Sinne ist jede Vorstufe des Faserverbundbauteils zu verstehen, die zumindest das Fasermaterial umfasst. Das Halbzeug kann damit auch das Fasermaterial selbst sein. Das Formnest ist beispielsweise aus Metall, vorzugweise Aluminium oder Edelstahl, gebildet. Das Werkzeug weist vorzugsweise zwei Werkzeugteile, insbesondere zwei Werkzeughälften, auf. Zwischen den Werkzeugteilen kann eine Kavität zur Aufnahme des Formnests und des Halbzeugs ausgebildet sein. Vorzugsweise wird das Werkzeug durch Aufbringen einer Pressenkraft geschlossen. Die Pressenkraft kann gehalten werden, solange das Werkzeug geschlossen ist.
Der Schritt g) des Entfernens des Formnests ist insbesondere ein vollständiges Entfernen des Formnests. Er umfasst zweckmäßigerweise ein Entfernen des Formnests aus dem Werkzeug.
Das Matrixmaterial kann eine Entformungstemperatur aufweisen. Darunter ist insbesondere eine Temperatur zu versehen, bei welcher das Matrixmaterial derart fest ist, dass es aus dem Formnest entnommen werden kann. Vorzugsweise weist das Matrixmaterial ferner als materialspezifischen Temperaturparameter eine Erweichungstemperatur oder eine Schmelztemperatur auf.
Im Schritt des Erwärmens des Halbzeugs und des Formnests kann das Halbzeug auf eine vorgegebene Temperatur, die größer als die Entformungstemperatur und kleiner oder größer als der materialspezifische Temperaturparameter ist, erwärmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Formnest auf eine vorgegebene Temperatur, die größer als die Entformungstemperatur und kleiner oder größer als der materialspezifische Temperaturparameter ist, erwärmt werden. Die vorgegebenen Temperaturen können identisch, insbesondere wenn eine Heizvorrichtung zum Erwärmen sowohl des Halbzeugs als auch des Formnests verwendet wird, oder unterschiedlich sein, insbesondere wenn eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Halbzeugs und eine weitere Heizvorrichtung zum Erwärmen des Formnests verwendet werden. Wenn die Temperatur des Halbzeugs im geschlossenen Zustand so hinreichend lang oberhalb der Entformungstemperatur gehalten wird, wird ein Erstarren des Matrixmaterials verhindert, was insbesondere für die Herstellung von Hochglanzoberflächen des Faserverbundbauteils nützlich ist.
In bevorzugter Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug zum Zeitpunkt des Schließens eine geringere Oberflächentemperatur als die Entformungstemperatur aufweist. Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Verfahren vor Schritt e), insbesondere vor Schritt d), folgenden Schritt umfasst: d₁) Temperieren, insbesondere Erwärmen oder Abkühlen, des Werkzeugs auf eine Oberflächentemperatur, die geringer als die Entformungstemperatur ist, mittels einer dem Werkzeug zugeordneten Temperiervorrichtung. Dadurch kann der Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren reduziert werden, weil nicht das gesamte Werkzeug über die Entformungstemperatur hinaus erwärmt werden muss, um dann ggf. zur Vorgabe des gewünschten Temperaturverlaufs wieder aktiv gekühlt zu werden. Typischerweise erfolgt das Temperieren des Werkzeugs parallel zu den Schritten a) bis c) oder a) bis d).
Gemäß einer ersten bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Halbzeug ein das Fasermaterial und das Matrixmaterial aufweisendes Faser-Matrix-Halbzeug ist und das Schließen derart erfolgt, dass die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit auf das Faser-Matrix-Halbzeug übertragen wird oder werden. Das Faser-Matrix-Halbzeug kann ein Organoblech oder ein Prepreg oder ein Hybridgarnprepreg oder ein Tape sein.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses zwischen den Schritten e) und f) folgenden Schritt: e₁) Einspritzen des Matrixmaterials in das Fasermaterial, sodass die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit auf eine Anordnung aus dem Matrixmaterial und dem durch das Matrixmaterial getränkte Fasermaterial übertragen wird.
Hinsichtlich der Ausgestaltung des Formnests kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass als Formnest ein zumindest auf seiner dem Halbzeug zugewandten Seite die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit ausbildender Körper bereitgestellt wird. Dabei kann Halbzeug zur Kavität hin freiliegen.
Alternativ werden zwei die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit ausbildende Körper bereitgestellt, zwischen denen das Halbzeug im Formnest angeordnet wird. Der oder einer der Körper oder ein jeweiliger Körper können ein ebenes oder umgeformtes Blech oder eine gefräste Schale oder ein additiv gefertigter Körper sein. Bei der Verwendung zweier Körper kann eine gleichmäßige Abkühlung beider Seiten des Halbzeugs zur Reduzierung eines Verzugs erzielt werden.
Um zusätzliche Funktionselemente, wie Rippen und dergleichen, am Faserverbundbauteil vorzusehen, kann ein Werkzeugteil einen zusätzlichen vom Halbzeug wegweisenden Hohlraum der Kavität ausbilden.
Wenn lediglich auf einer Seite ein Körper vorgesehen ist, kann vorgesehen sein, dass das Verfahren zwischen den Schritten e) und f) ferner folgenden Schritt umfasst: e₂) Einspritzen eines Kunststoffs auf der dem Körper abgewandten Seite derart, dass der Kunststoff den Hohlraum ausfüllt und sich mit dem Matrixmaterial verbindet. Dabei kann der Kunststoff das Matrixmaterial auf die gegenüberliegende Seite drücken und dadurch das Abformen der Negativoberflächenkontur im geschlossenen Zustand des Werkzeugs fördern.
Alternativ kann das Verfahren zwischen den Schritten f) und g) ferner folgende Schritte umfassen: f₁) Zumindest teilweises Entfernen des Formnests, insbesondere eines der Körper, von der dem Hohlraum zugewandten Seite des Halbzeugs; f₂) Erneutes Schließen des Werkzeugs; f₃) Einspritzen eines Kunststoffs, sodass sich der Kunststoff mit dem Matrixmaterial verbindet und den Hohlraum ausfüllt; f₄) Erneutes Öffnen des Werkzeugs. Vorzugsweise erfolgt das erneute Öffnen frühestens, wenn das der eingespritzte Kunststoff seine Entformungstemperatur erreicht hat. Während des Schritts e) wird der Hohlraum typischerweise vom Formnest verdeckt.
Grundsätzlich können das Matrixmaterial und der Kunststoff materialidentisch sein.
Das Formnest kann eine Wandstärke von höchstens 3 mm, bevorzugt höchstens 2 mm, besonders bevorzugt höchstens 1 mm und/oder von wenigstens 0,2 mm, bevorzugt wenigstens 0,4 mm, aufweisen. Formnester mit derart geringen Wandstärken sind kostengünstig und insbesondere wesentlich schneller und flexibler temperierbar als massive Werkzeuge.
Alternativ oder zusätzlich ist das Formnest derart flexibel ausgebildet ist, dass während des Schritts des Schließens des Werkzeugs Gase, insbesondere Luft, aus dem Halbzeug und/oder dem Formnest herausgepresst werden. Dadurch können Druckverluste aufgrund einer unerwünschten Deformation des Werkzeugs verringert werden. Es wird auch bevorzugt, wenn das Formnest derart dünnwandig ausgebildet ist, dass die Zeit zum Abgeben der Wärme an das Werkzeug bis zum Erreichen der Entformungstemperatur weniger als eine Minute, bevorzugt weniger als 30 Sekunden, besonders bevorzugt weniger als 20 Sekunden beträgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass das Erwärmen des Halbzeugs und des Formnests mittels einer gemeinsamen Heizvorrichtung oder mittels getrennter Heizvorrichtungen erfolgt. Dabei kann das Erwärmen mittels der, einer oder einer jeweiligen Heizvorrichtung durch Konvektion und/oder Umluft und/oder Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung und/oder induktive Erwärmung des Formnests und/oder Kontakterwärmung und/oder Beaufschlagung des Formnests mit elektrischem Strom erfolgen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Werkzeug räumlich getrennt von der Heizvorrichtung angeordnet ist. Dabei kann das Verfahren zwischen den Schritten c) und d) folgenden Schritt umfassen: c₁) Transportieren des Formnests und des Halbzeugs von der wenigstens einen Heizvorrichtung zum Werkzeug. Das Transportieren kann gemeinsam in einem Transportvorgang erfolgen. Dabei wird es bevorzugt, wenn das Halbzeug und das Formnest während des Transportierens in dichtem Kontakt sind, um eine Abkühlung des Halbzeugs durch die im Formnest gespeicherte Wärme möglichst gering zu halten. Es ist aber auch möglich, dass das Transportieren in zwei getrennten Transportvorgängen erfolgt.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Einsetzen des Formnests und des Halbzeugs gemeinsam durch Einsetzen des in dem oder auf dem Formnest angeordneten Halbzeugs erfolgt. Alternativ erfolgt das Einsetzen des Formnests und des Halbzeugs durch Anordnen des Halbzeugs in das oder auf dem Formnest im Werkzeug.
Zumindest während eines Zeitraums zwischen den Schritten e) und f) kann vorgesehen sein, dass das Formnest eine die Wärmeübertragung und/oder Druckübertragung zwischen dem Werkzeug und dem Formnest beeinflussende Beschichtung aufweist und/oder das Werkzeug eine die Wärmeübertragung und/oder Druckübertragung zwischen dem Werkzeug und dem Formnest beeinflussende Beschichtung aufweist und/oder zwischen dem Formest und dem Werkzeug eine die Wärmeübertragung und/oder Druckübertragung beeinflussende Komponente, die insbesondere einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Formnest aufweist, angeordnet ist. Durch das Hinzufügung der Komponente wird die Druckübertragung von dem Werkzeug auf das Halbzeug über die gesamte Fläche hinweg verbessert und unterbindet das Bilden von Fehlstellen. Durch die Beeinflussung der Wärmeübertragung wird infolge einer Veränderung des Wärmeübergangskoeffizienten eine reduzierte Abkühlgeschwindigkeit des Halbzeugs ermöglicht, sodass ein schlagartiges Einfrieren des Matrixmaterials beim Schließen des Werkzeugs vermieden werden kann. Die Komponente ist insbesondere eine Folie und/oder aus Silikon.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Matrixmaterial Polypropylen, Polyamid, Polycarbonat oder Styrol-Acrylnitril enthalten oder daraus bestehen. Außerdem kann das Fasermaterial Glaserfasern oder Kohlenstofffasern oder Naturfasern enthalten oder daraus bestehen und/oder ein Gewebe, insbesondere Grobgewebe oder Feingewebe, oder ein Gelege oder eine Wirrfaser sein.
Bei wiederholter Durchführung von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich durch das vergleichsweise schnelle Abkühlen des Halbzeugs beispielsweise eine kurze Zykluszeit realisieren, die insbesondere wesentlich kürzer als bei den herkömmlichen Prozessen mit variotherm temperierten Werkzeugen ist und dort im Minutenbereich liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Halbzeug im Schritt c) vorzugsweise im Formnest angeordnet. Bevorzugt sind das Halbzeug und das Formnest im Schritt c) horizontal angeordnet.
Gemäß einer Ausgestaltungsvariante wird das Werkzeug in vertikaler Richtung geschlossen und das Formnest und das Halbzeug werden horizontal im Werkzeug angeordnet.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Werkezeug in horizontaler Richtung geschlossen wird und das Formnest und das Halbzeug vertikal im Werkzeug angeordnet werden. Wenn das Formnest und das Halbzeug dabei aus einer horizontalen Stellung, in welcher das Halbzeug im Formnest fixiert ist, zum Einsetzen in das Werkzeug in die vertikale Stellung überführt werden, kann vermieden werden, dass durch die in der vertikalen Stellung wirkende Schwerkraft eine unerwünschte Faserverschiebung im Halbzeug auftritt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise nach dem Entfernen des Formnests die Schritte b) bis g) mit demselben Formnest und einem jeweils neuen Halbzeug wiederholt durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich können ein weiteres Formnest oder mehrere weitere Formnester bereitgestellt werden. Die Schritte b) bis g) können dann mit dem oder einem jeweiligen weiteren Formnest und einem neuen Halbzeug, insbesondere wiederholt mit jeweils einem neuen Halbzeug, durchgeführt werden, wobei die Schritte b) bis g) mit dem ersten und dem oder einem jeweiligen weiteren Formnest zeitlich versetzt durchgeführt werden. Dabei kann ein Shuttle System zum Transportieren der Formnester verwendet werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, welches ein Fasermaterial und ein thermoplastisches Matrixmaterial enthält, wobei die Vorrichtung aufweist: wenigstens eine Heizvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Formnest, welches eine Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit bezüglich des herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist, und ein das Fasermaterial enthaltendes Halbzeug zu erwärmen; ein Werkzeug, in welches das Halbzeug und das Formnest einsetzbar sind, das zum Schließen, sodass die das Halbzeug im Werkzeug verformt wird, und zum Öffnen, sodass das Formnest zum Erhalten des Faserverbundbauteils vom verformten Halbzeug entfernbar ist, eingerichtet ist und in welchem das Halbzeug und das Formnest in einer im geschlossenen Werkzeug eingesetzten Stellung abkühlbar sind, indem sie Wärme an das Werkzeug abgeben; und eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Heizvorrichtung und das Werkzeug zum Durchführen zumindest des Schritts c) des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusteuern.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner eine Transportvorrichtung auf und die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Transportvorrichtung zum Durchführen des Schritts c₁) des Verfahrens anzusteuern.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner eine dem Werkzeug zugeordnete Temperiervorrichtung auf und die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Temperiervorrichtung zum Durchführen des Schritts d₁) des Verfahrens anzusteuern.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner eine Einspritzvorrichtung auf und die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Einspritzvorrichtung zum Durchführen des Schritts e₁) des Verfahrens anzusteuern.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner eine Maschine auf und die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, die Maschine zum Durchführen der Schritte e) und f) des Verfahrens anzusteuern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner ein Shuttle-System zum Transportieren der Formnester umfassen.
Sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen, sodass auch mit dieser die zum Verfahren beschriebenen Vorteile erzielt werden können.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich ferner aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Prinzipskizze des Werkzeugs und der Temperiervorrichtung der in 1 gezeigten Vorrichtung;
3 ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine perspektivische Darstellung eines Formnests und eines Halbzeugs, welche im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels verwendet werden;
5 eine Prozessdarstellung des Werkzeugs in verschiedenen Stellungen;
6 Diagramme der Temperatur des Faser-Matrix-Halbzeugs über die Zeit mit und ohne Verwendung des erwärmten Formnests;
7 Diagramme verschiedener Temperaturen über die Zeit bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit unterschiedlichen Materialstärken des Formnests; und
8 u. 9 jeweils einen Ausschnitt eines Flussdiagramms eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
10 ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Heizvorrichtung 2 und optional eine zweite Heizvorrichtung 3. Daneben umfasst die Vorrichtung 1 ein Werkzeug 4, welches zwei Werkzeugteile 5, 6, beispielsweise zwei Werkzeughälften, umfasst, eine Transportvorrichtung 7 und eine dem Werkzeug 4 zugeordnete Temperiervorrichtung 8. Optional kann die Vorrichtung 1 ferner eine Einspritzvorrichtung 9 umfassen.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 10, die dazu eingerichtet ist, die erste Heizvorrichtung 2, die Transportvorrichtung 7 und die Temperiervorrichtung 8 anzusteuern. Soweit jeweils vorgesehen, ist die Steuereinrichtung 10 ferner dazu eingerichtet, die zweite Heizvorrichtung 3 und die Einspritzvorrichtung 9 anzusteuern. Die Steuereinrichtung 10 kann dabei als zentrale Steuereinrichtung für die anzusteuernden Komponenten oder als dezentrale Steuereinrichtung mit einzelnen Steuereinheiten für eine jeweilige anzusteuernde Komponente ausgebildet sein.
Die oder eine jeweilige Heizvorrichtung 2, 3 ist zum Erwärmen durch Konvektion und/oder Umluft und/oder Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung und/oder induktive Erwärmung und/oder Kontakterwärmung und/oder Beaufschlagung mit elektrischem Strom ausgebildet. Es kann sich beispielsweise um einen Konvektionsofen handeln.
2 ist eine Prinzipskizze des Werkzeugs 4 und der Temperiervorrichtung 8.
In das Werkzeug 4 sind ein - rein schematisch dargestelltes - Formnest 11, welches eine Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit bezüglich des herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist, und ein ein Fasermaterial 12 sowie ein Matrixmaterial 13 enthaltendes Halbzeug 14, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Faser-Matrix-Halbzeug ist, einsetzbar. Das Faser-Matrix-Halbzeug ist beispielweise ein Organoblech, ein Prepreg, ein Hybridgarnprepreg oder ein Tape. Als Fasermaterial 12 kommen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Naturfasern in Betracht, die als Grob- oder Feingewebe oder Gelege oder Wirrfaser angeordnet sind. Das Matrixmaterial 13 ist ein Thermoplast und enthält beispielsweise Polypropylen, Polyamid, Polycarbonat oder Styrol-Acrylnitril oder besteht daraus.
Das Formnest 11 ist durch einen zumindest auf seiner dem Halbzeug zugewandten Seite die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit ausbildenden Körper 15 oder zwei solcher Körper 15, 16 (vgl. 4) realisiert. Der bzw. ein jeweiliger Körper 15, 16 ist exemplarisch ein ebenes oder umgeformtes Blech, eine gefräste Schale oder ein additiv gefertigter Körper.
Optional weist das Formnest 11 zudem eine die Wärmeübertragung und Druckübertragung zwischen dem Werkzeug und dem Formnest 11 beeinflussende Beschichtung auf. Außerdem ist zwischen dem Formnest 11 und dem Werkzeug 4 eine die Wärmeübertragung und Druckübertragung beeinflussende Silikonfolie (nicht gezeigt) angeordnet, die einen geringeren Elastizitätsmodul als das Formnest aufweist.
Das Werkzeug 4 ist zum Schließen, sodass das Halbzeug 14 im Werkzeug 4 verformt wird, und zum Öffnen, sodass das Formnest 11 zum Erhalten des Faserverbundbauteils vom verformten Halbzeug 14 entfernbar ist, eingerichtet. Das Werkzeug 4 weist eine Kavität 17 für das Formnest 11 und das Halbzeug 14 auf, die hier durch die beiden Werkzeugteile 5, 6 ausgebildet ist. Auch die Kavität 17 kann eine der vorgenannten Beschichtung entsprechende Beschichtung aufweisen.
Die Vorrichtung 1 ist ferner dazu eingerichtet, eine Pressenkraft zum Schließen des Werkzeugs 4 bzw. seiner Werkzeugteile 5, 6 und zum Verformen bereitzustellen. Dazu weist die Vorrichtung 1 beispielsweise eine Maschine 18, die zum Durchführen einer Hubbewegung eingerichtet ist, auf. Die Maschine 18 ist ebenfalls durch die Steuereinrichtung 10 ansteuerbar (vgl. 1).
Durch die Temperiervorrichtung 8 ist das Werkzeug 4 auf eine vorgegebene Oberflächentemperatur aufheizbar oder abkühlbar. Dazu sind für jedes Werkzeugteil 5, 6 eine eigene Temperierung 19 vorgesehen.
Die Funktion der Vorrichtung 1, insbesondere der Steuereinrichtung 10, wird im Folgenden anhand eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung des Faserverbundbauteils weiter erläutert.
3 ist ein Flussdiagramm des ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens. 4 ist eine perspektivische Darstellung des Formnests 11 und des Halbzeugs 14, welche im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels verwendet werden. 5 ist eine Prozessdarstellung des Werkzeugs 4 in verschiedenen Stellungen.
In einem Schritt Sa wird das Formnest 11, welches die Negativformkontur und die Negativoberflächenbeschaffenheit bezüglich des herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist, bereitgestellt. Als Formnest 11 werden hier exemplarisch zwei Körpern 15, 16, die jeweils als napfförmige, tiefgezogene Bleche ausgebildet sind, bereitgestellt. Die Napfform gibt hier die Negativformkontur vor. Die Negativoberflächenbeschaffenheit ist durch in 4 nicht sichtbare Strukturen auf den dem Halbzeug 14 zugewandten Seiten der Körper 15, 16 realisiert, damit sich die Strukturen auf dem Faserverbundbauteil abzeichnen.
In einem folgenden Schritt Sb wird das Halbzeug 14 bereitgestellt. Das in 4 gezeigte Halbzeug 14 ist ein ebenes Organoblech.
In einem folgenden Schritt Sc werden das Halbzeug 14 und das Formnest 11 gemeinsam mittels der Heizvorrichtung 2 erwärmt (siehe linke Abbildung von 5). Dazu steuert die Steuereinrichtung 10 die Heizvorrichtung 2 zum Durchführen dieses Schritts an. Das Formnest 11 und das Halbzeug werden auf eine vorgegebene Temperatur, die größer als eine Entformungstemperatur des Matrixmaterials 13 und größer als eine Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Matrixmaterials 13 ist, erwärmt. Das Formnest 11 und das Matrixmaterial 13 speichern dabei die Wärme. Durch eine Verformung des Halbzeugs 14 innerhalb der Heizvorrichtung 2 kann dieses derart vorgeformt werden, dass das Halbzeug 14 dicht am Formnest 11 anliegt und die Wärme so besonderes lange gespeichert wird.
In einem folgenden Schritt Sc₁ werden das Formnest 11 und das Halbzeug 14 von der Heizvorrichtung 2 zum Werkzeug 4 transportiert. Dazu steuert die Steuereinrichtung 10 die Transportvorrichtung 7 zum Durchführen dieses Schritts an.
In einem folgenden oder parallel zu einem der vorangegangenen Schritte durchgeführten Schritt Sd₁ wird das Werkzeug 4 auf eine Oberflächentemperatur, die geringer als die Entformungstemperatur ist, mittels der Temperiervorrichtung 8 erwärmt oder abgekühlt. Ein Abkühlen kann insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn dieser Schritt - wie weiter unten beschrieben - wiederholt durchgeführt wird und sich das Werkzeug 4 so kontinuierlich erwärmt.
In einem folgenden Schritt Sd werden das Halbzeug 14 und das Formnest 11 gemeinsam in das Werkzeug 4 eingesetzt, welches kühler als das Halbzeug 14 ist (siehe mittlere Abbildung von 5). Insbesondere ist die Oberflächentemperatur des Werkzeugs 4 bzw. der Kavität 17 geringer als die Temperatur des Halbzeugs 14. Das Halbzeug 14 ist dabei bereits im Formnest 11 angeordnet.
In einem folgenden Schritt Se wird das Werkzeugs 4 bzw. werden seine Werkzeugteile 5, 6 geschlossen, sodass das Halbzeug 14 im Werkzeug 4 verformt wird (siehe rechte Abbildung von 5). In einem folgenden Schritt Sf wird das geschlossene Werkzeug 4 geöffnet. Dazu steuert die Steuereinrichtung 10 die Maschine 18 zum Durchführen der Schritte Se, Sf an.
Im geschlossenen Zustand, also in einem Zeitraum zwischen den Schritten Se und Sf kühlen das Halbzeug 14 und das Formnest 11 ab, indem sie Wärme an das Werkzeug 4 abgegeben. Das Werkzeug 4 bleibt dabei solange geschlossen, bis sichergestellt ist, dass das Faserverbundbauteil bzw. Formnest 11 und Halbzeug 14 bei der Entnahme ihre Form beibehalten. Dies ist in der Regel der Fall, wenn die Entformungstemperatur unterschritten bzw. erreicht wird. Dabei werden die Negativformkontur und die Negativoberflächenbeschaffenheit als Formkontur und Oberflächenbeschaffenheit auf das Faserverbundhalbzeug übertragen. Das Formnest 11 ist dabei derart flexibel ausgebildet, dass während des Schritts Se des Schließens des Werkzeugs 4 Gase aus dem Halbzeug 14 herausgepresst werden. Die Körper 15, 16 können daher auch als adaptive Körper erachtet werden. Gleichsam ist das Formnest 11 derart dünnwandig ausgebildet, dass die Zeit zum Abgeben der Wärme an das Werkzeug bis zum Erreichen der Entformungstemperatur weniger als 20 Sekunden beträgt. Eine Wandstärke des Formnests 11 beträgt dazu 0,2 bis 3 mm. Die vorgenannte Zeit kann - je nach Formnestdicke, Art der Beschichtung und der Eigenschaften des Matrixmaterials 13 - auch länger sein.
Nach dem Öffnen des Werkzeugs 4 wird ein Schritt Sg des Entfernens des Formnests 11 vom verformten Halbzeug 14 und des Erhaltens des Faserverbundbauteils durchgeführt.
Die Schritte Sb bis Sg werden dann mit demselben Formnest 11 und einem jeweils neuen Halbzeug wiederholt durchgeführt werden. Zeitlich versetzt dazu werden weitere Formnester (nicht gezeigt) bereitgestellt und die Schritte Sb bis Sg mit einem jeweiligen weiteren Formnest und einem neuen Halbzeug wiederholt durchgeführt. Bei einem kontinuierlichen Transport der Formnester vom Werkzeug 4 zur Heizvorrichtung 2 kann die Vorrichtung 1 ein Shuttle-System realisieren.
6 zeigt Diagramme der Temperatur ϑ eines Halbzeugs 14 über die Zeit t mit und ohne Verwendung eines erwärmten Formnests 11, wobei im oberen Diagramm ein Temperaturverlauf 50 des Halbzeugs 14 ohne Verwendung des erwärmten Formnests und im unteren Diagramm ein Temperaturverlauf 51 des Halbzeugs 14 mit Verwendung des erwärmten Formnests 11 und ein Temperaturverlauf 52 des Formnests 11 gemessen an einer dem Halbzeug 14 zugewandten Seite des Körpers 16 (siehe 4) aufgetragen sind. Dabei besteht wegen eines Luftspalts jedoch kein direkter Kontakt eines den Temperaturverlauf 52 erfassenden Sensors mit dem Halbzeug 14.
Das Halbzeug 14 ist hier ein Organoblech mit Polypropylen als Matrixmaterial 13 und einem Glasfasergewebe als Fasermaterial 12. Zu einem Zeitpunkt t₀ werden die Halbzeuge 14 mit einer Temperatur von ca. 195 °C in das Werkzeug 4 eingesetzt. Dieses wird jedoch nicht geschlossen. Ersichtlich fällt der Temperaturverlauf 50 wesentlich stärker bis zum Unterschreiten der Schmelztemperatur des Polypropylens als der Temperaturverlauf 51. Experimentell wurde ermittelt, dass eine Differenz zwischen einem Zeitpunkt t₁ und einem Zeitpunkte t₀ ca. 9 Sekunden beträgt, während eine Differenz zwischen dem Zeitpunkt t₀ und einem Zeitpunkt t₂ ca. 120 Sekunden beträgt. An den Temperaturverläufen 51, 52 ist dabei zu erkennen, dass das Formnest 11 einen effizienten Wärmespeicher ausbildet, durch den einem Temperaturverlust des Halbzeugs 14 entgegengewirkt werden kann. Durch entsprechende Wahl des Formnests 11 kann somit auch ohne aktive dynamische Temperierung des Werkzeugs 4 ein variothermer Prozess realisiert werden. Zusätzlich wird durch die Speicherung der Wärme verhindert, dass das Halbzeug 14 beim Transport von der Heizvorrichtung 2 zum Werkzeug 4 durch die Transportvorrichtung 7 zu viel Wärme verliert. Ein Überheizen des Halbzeugs 14, um dem sonst üblichen Temperaturverlust entgegenzuwirken, ist damit nicht erforderlich und schont das Fasermaterial 12 und das Matrixmaterial 13.
7 zeigt Diagramme verschiedener Temperaturen ϑ über die Zeit t bei der Durchführung des Verfahrens mit unterschiedlichen Formnestern 11. Dabei werden in den Diagrammen Temperaturverläufe 53a, 53b des Halbzeugs 14, Temperaturverläufe 54a, 54b des Körpers 16 (siehe 4) an dessen Außenseite, Temperaturverläufe 55a, 55b der Oberflächentemperatur des Werkzeugteils 5 (siehe 2) und Temperaturverläufe 56a, 56b der Oberflächentemperatur des Werkzeugteils 6 (siehe 2) dargestellt. Im oberen Diagramm ist zusätzlich ein Temperaturverlauf 57 des Körpers 16 (siehe 4) an dessen Innenseite dargestellt.
Das obere Diagramm zeigt die Temperaturverläufe 53a, 54a, 55a, 56a, 57 bei einem Formnest 11 aus Edelstahl mit einer Wandstärke von 1 mm. Das untere Diagramm zeigt die Temperaturverläufe 53b, 54b, 55b, 56b bei einem Formnest 11 aus Aluminium mit einer Wandstärke von 0,5 mm. Mit t₃ ist ein Zeitpunkt des Schließens des Werkzeugs 4 gekennzeichnet. Mit t₄ und t₅ sind Zeitpunkte gekennzeichnet, an denen das Halbzeug 14 die Entformungstemperatur erreicht. Eine Differenz zwischen t₄ und t₃ beträgt ca. 9 Sekunden. Eine Differenz zwischen t₅ und t₃ beträgt ca. 18 Sekunden. Ersichtlich kann die Abkühlung des Halbzeugs 14 als variothermer Prozess gezielt durch die Ausgestaltung des Formnests 11 gesteuert werden.
8 ist ein Ausschnitt eines Flussdiagramms eines weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel, das im Übrigen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, weist die Kavität 17 zusätzlich einen vom Halbzeug 14 wegweisenden Hohlraum auf. Zusätzlich sind zwischen den Schritten Sf und Sg folgende Schritte vorgesehen:
In einem Schritt Sf₁ erfolgt ein zumindest teilweises Entfernen des Formnests 11 von der dem Hohlraum zugewandten Seite des Halbzeugs. Dazu wird einer der Körper 15, 16 entfernt. In einem anschließenden Schritt Sf₂ wird das Werkzeug 4 erneut geschlossen. In einem anschließenden Schritt Sf₃ erfolgt ein Einspritzen eines Kunststoffs, sodass sich der Kunststoff mit dem Matrixmaterial 13 verbindet und den Hohlraum ausfüllt. In einem anschließenden Schritt Sf₄ wird das Werkzeug dann erneute geöffnet und das Verfahren im Schritt Sg fortgesetzt.
9 ist ein Ausschnitt eines Flussdiagramms eines weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel, das im Übrigen dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, weist die Kavität 17 ebenfalls zusätzlich den vom Halbzeug 14 wegweisenden Hohlraum auf und es ist lediglich einer der Körper 15, 16 vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren zwischen den Schritten Se und Sf ferner einen Schritt Se₂ des Einspritzens eines Kunststoffs auf der dem Körper 15, 16 abgewandten Seite derart, dass der Kunststoff den Hohlraum ausfüllt und sich mit dem Matrixmaterial 13 verbindet. Das Verfahren wird dann im Schritt Sf fortgesetzt.
10 ist ein Flussdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des Verfahrens. Auf das zweite Ausführungsbeispiel lassen sich bis auf die im Folgenden beschriebenen Abweichungen die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel übertragen.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird im Schritt Sb lediglich das Fasermaterial 12 als Halbzeug 14 als bereitgestellt. Zusätzlich ist zwischen den Schritten Se und Sf ein Schritt Se₁ des Einspritzens des Matrixmaterials 13 in das Fasermaterial vorgesehen, sodass die Negativformkontur und die Negativoberflächenbeschaffenheit auf eine Anordnung aus dem Matrixmaterial 13 und dem durch das Matrixmaterial 13 getränkte Fasermaterial 12 übertragen wird. Die Steuereinrichtung 10 steuert die Einspritzvorrichtung 9 zum Durchführen dieses Schritts an.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden das Formnest 11 und das Halbzeug 14 im Schritt Sc getrennt erwärmt, wobei das Formnest 11 mittels der ersten Heizvorrichtung 2 und das Halbzeug 14 mittels der zweiten Heizvorrichtung 3 erwärmt werden. Die Steuereinrichtung 10 steuert die Heizvorrichtungen 2, 3 zur Durchführung dieses Schritts an.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel werden das Formnest 11 und das Halbzeug 14 im Schritt Sc₁ getrennt voneinander transportiert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt das Einsetzen des Formnests 11 und des Halbzeugs 14 im Schritt Sd durch Anordnen des Halbzeugs 14 in das oder auf dem Formnest 11 im Werkzeug 4.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorgegebene Temperatur im Schritt Sc kleiner als die Erweichungs- oder Schmelztemperatur des Matrixmaterial 13.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, auf das sich alle Ausführung zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen übertragen lassen, wird das Werkzeug 4 nicht - wie in den Zeichnungen dargestellt - vertikal geschlossen, sondern horizontal geschlossen. Dabei werden das Halbzeug 14 und das Formnest 11 - wie dargestellt - in einer horizontalen Stellung im Schritt Sc erwärmt. Das Halbzeug 14 und das Formnest 11 werden dann aus der horizontalen Stellung in eine vertikale Stellung überführt, um sie in das horizontal schließende Werkzeug 4 einzusetzen. Eine ungewünschte Faserverschiebung durch die Schwerkraft wird dabei vermieden, indem das Formnest 11 das Halbzeug 14 in der vertikalen Stellung fixiert. Alternativ ist es möglich, dass das Formnest 11 und das Halbzeug 14 vertikal zusammengeführt und transportiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012010469 A1 [0004]
DE 3821312 A [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, welches ein Fasermaterial (12) und ein thermoplastisches Matrixmaterial (13) enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Formnests (11), welches eine Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit bezüglich des herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist; b) Bereitstellen eines das Fasermaterial (12) enthaltenden Halbzeugs (14); c) Erwärmen des Halbzeugs (14) und des Formnests (11) mittels wenigstens einer Heizvorrichtung (2, 3); d) Einsetzen des Halbzeugs (14) und des Formnests (11) in ein gegenüber dem Halbzeug kühleres Werkzeug (4); e) Schließen des Werkzeugs (4), sodass das Halbzeug (14) im Werkzeug (4) verformt wird; f) Öffnen des geschlossenen Werkzeugs (4); und g) Entfernen des Formnests (11) vom verformten Halbzeug (14) und Erhalten des Faserverbundbauteils, wobei das Halbzeug (14) und das Formnest (11) in einer im geschlossenen Werkzeug (4) eingesetzten Stellung abkühlen, indem sie Wärme an das Werkzeug (4) abgeben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Matrixmaterial (13) eine Entformungstemperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Matrixmaterial (13) als materialspezifischen Temperaturparameter eine Erweichungstemperatur oder eine Schmelztemperatur aufweist, wobei im Schritt des Erwärmens des Halbzeugs (14) und des Formnest (11) das Halbzeug (14) auf eine vorgegebene Temperatur, die größer als die Entformungstemperatur und kleiner oder größer als der materialspezifische Temperaturparameter ist, erwärmt wird und/oder das Formnest (11) auf eine vorgegebene Temperatur, die größer als die Entformungstemperatur und kleiner oder größer als der materialspezifische Temperaturparameter ist, erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Werkzeug (4) zum Zeitpunkt des Schließens eine geringere Oberflächentemperatur als die Entformungstemperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Verfahren vor Schritt e), insbesondere vor Schritt d), folgenden Schritt umfasst: d₁) Temperieren des Werkzeugs (4) auf eine Oberflächentemperatur, die geringer als die Entformungstemperatur ist, mittels einer dem Werkzeug (4) zugeordneten Temperiervorrichtung (8).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug (14) ein das Fasermaterial (12) und das Matrixmaterial (13) aufweisendes Faser-Matrix-Halbzeug ist und das Schließen derart erfolgt, dass die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit auf das Faser-Matrix-Halbzeug übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Faser-Matrix-Halbzeug ein Organoblech oder ein Prepreg oder ein Hybridgarnprepreg oder ein Tape ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren zwischen den Schritten e) und f) folgenden Schritt umfasst: e₁) Einspritzen des Matrixmaterials (13) in das Fasermaterial (12), sodass die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit auf eine Anordnung aus dem Matrixmaterial (13) und dem durch das Matrixmaterial (13) getränkte Fasermaterial (12) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Formnest (11) zwei die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit ausbildende Körper (15, 16) bereitgestellt werden, zwischen denen das Halbzeug (14) im Formnest (11) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Formnest (11) ein zumindest auf seiner dem Halbzeug (14) zugewandten Seite die Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit ausbildender Körper (15) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug (4) zwei Werkzeugteile (5, 6), die eine Kavität (17) ausbilden, aufweist und ein Werkzeugteil (5, 6) einen zusätzlichen vom Halbzeug (14) wegweisenden Hohlraum der Kavität (17) ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 11, wenn abhängig von Anspruch 10, wobei das Verfahren zwischen den Schritten e) und f) ferner folgenden Schritt umfasst: e₂) Einspritzen eines Kunststoffs auf der dem Körper abgewandten Seite derart, dass der Kunststoff den Hohlraum ausfüllt und sich mit dem Matrixmaterial (13) verbindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren zwischen den Schritten f) und g) ferner folgende Schritte umfasst: f₁) Zumindest teilweises Entfernen des Formnests (11) von der dem Hohlraum zugewandten Seite des Halbzeugs (14); f₂) Erneutes Schließen des Werkzeugs (4); f₃) Einspritzen eines Kunststoffs, sodass sich der Kunststoff mit dem Matrixmaterial (13) verbindet und den Hohlraum ausfüllt; f₄) Erneutes Öffnen des Werkzeugs (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Formnest (11) - eine Wandstärke von höchstens 3 mm, bevorzugt höchstens 2 mm, besonders bevorzugt höchstens 1 mm, und/oder von wenigstens 0,2 mm, bevorzugt wenigstens 0,4 mm, aufweist und/oder - derart flexibel ausgebildet ist, dass während des Schritts des Schließens des Werkzeugs (4) Gase aus dem Halbzeug (14) und/oder dem Formnest (11) herausgepresst werden, und/oder - derart dünnwandig ausgebildet ist, dass die Zeit zum Abgeben der Wärme an das Werkzeug (4) bis zum Erreichen der Entformungstemperatur weniger als eine Minute, bevorzugt weniger als 30 Sekunden, besonders bevorzugt weniger als 20 Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erwärmen des Halbzeugs (14) und des Formnests (11) mittels einer gemeinsamen Heizvorrichtung (2) oder mittels getrennter Heizvorrichtungen (2, 3) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug (4) räumlich getrennt von der Heizvorrichtung (2, 3) angeordnet ist und das Verfahren zwischen den Schritten c) und d) folgenden Schritt umfasst: c₁) Transportieren des Formnests (11) und des Halbzeugs (14) von der wenigstens einen Heizvorrichtung (2, 3) zum Werkzeug (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einsetzen des Formnests (11) und des Halbzeugs (14) - gemeinsam durch Einsetzen des in dem oder auf dem Formnest (11) angeordneten Halbzeugs (14) oder - durch Anordnen des Halbzeugs (14) in das oder auf dem Formnest (11) im Werkzeug (4) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest während eines Zeitraums zwischen den Schritten e) und f) - das Formnest (11) eine die Wärmeübertragung und/oder Druckübertragung zwischen dem Werkzeug (4) und dem Formnest (11) beeinflussende Beschichtung aufweist und/oder - das Werkzeug (4) eine die Wärmeübertragung und/oder Druckübertragung zwischen dem Werkzeug (4) und dem Formnest (11) beeinflussende Beschichtung aufweist und/oder - zwischen dem Formnest (11) und dem Werkzeug (4) eine die Wärmeübertragung und/oder Druckübertragung beeinflussende Komponente, die insbesondere einen niedrigeren Elastizitätsmodul als das Formnest (11) aufweist, angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - nach dem Entfernen des Formnests (11) die Schritte b) bis g) mit demselben Formnest (11) und einem jeweils neuen Halbzeug wiederholt durchgeführt werden und/oder - ein weiteres Formnest bereitgestellt wird oder mehrere weitere Formnester bereitgestellt werden und die Schritte b) bis g) mit dem oder einem jeweiligen weiteren Formnest und einem neuen Halbzeug, insbesondere wiederholt mit jeweils einem neuen Halbzeug, durchgeführt werden, wobei die Schritte b) bis g) mit dem ersten und dem oder einem jeweiligen weiteren Formnest zeitlich versetzt durchgeführt werden.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, welches ein Fasermaterial (12) und ein thermoplastisches Matrixmaterial (13) enthält, wobei die Vorrichtung (1) aufweist: - wenigstens eine Heizvorrichtung (2, 3), die dazu eingerichtet ist, ein Formnest (11), welches eine Negativformkontur und/oder Negativoberflächenbeschaffenheit bezüglich des herzustellenden Faserverbundbauteils aufweist, und ein das Fasermaterial (12) enthaltendes Halbzeug (13) zu erwärmen; - ein Werkzeug (4), in welches das Halbzeug (14) und das Formnest (11) einsetzbar sind, das zum Schließen, sodass die das Halbzeug (14) im Werkzeug (4) verformt wird, und zum Öffnen, sodass das Formnest (11) zum Erhalten des Faserverbundbauteils vom verformten Halbzeug (14) entfernbar ist, eingerichtet ist und in welchem das Halbzeug (14) und das Formnest (11) in einer im geschlossenen Werkzeug (4) eingesetzten Stellung abkühlbar sind, indem sie Wärme an das Werkzeug (4) abgeben; und - eine Steuereinrichtung (10), die dazu eingerichtet ist, die wenigstens eine Heizvorrichtung (2, 3) und das Werkzeug (4) zum Durchführen zumindest des Schritts c), insbesondere auch eine Transportvorrichtung (7) der Vorrichtung (1) zum Durchführen des Schritts c₁) und/oder eine dem Werkzeug (4) zugeordnete Temperiervorrichtung (8) zum Durchführen des Schritts d₁) und/oder eine Einspritzvorrichtung (9) der Vorrichtung zum Durchführen des Schritts e₁) und/oder eine Maschine (18) zum Durchführen der Schritte e) und f), eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche anzusteuern.