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Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Faserverbund-Bauteils mit wenigstens einer Krümmung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Faserverbund-Bauteils, dessen äußere Form wenigstens eine Krümmung aufweist, bei dem Fasermaterial (1) in ein Werkzeug eingelegt wird, das eine der Krümmung des Faserverbund-Bauteils angepasste innenliegende gekrümmte Anlagefläche für das Fasermaterial (1) aufweist und in dem Werkzeug unter Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur zu einem Laminat umgebildet wird, wobei nach Einlegen des Fasermaterials (1) in das Werkzeug und vor Umbildung des Fasermaterials (1) in das Laminat in die Krümmung des Fasermaterials (1) ein Roving (5) eingelegt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Faserverbund-Bauteils, dessen äußere Form wenigstens eine Krümmung aufweist, bei dem Fasermaterial in ein Werkzeug eingelegt wird, das eine der Krümmung des Faserverbund-Bauteils angepasste innenliegende gekrümmte Anlagefläche für das Fasermaterial aufweist und in dem Werkzeug unter Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur zu einem Laminat umgebildet wird.
  • Bei der Herstellung von Faserverbund-Bauteilen, beispielsweise in einem RTM-Verfahren, stellt die Einhaltung von Qualitätsanforderungen an das Laminat besondere Anforderungen in Krümmungsbereichen, beispielsweise in Bereichen innenliegender Ecken oder Bereichen mit Radien, die einen Krümmungsradius von weniger als 20mm aufweisen. Beim Einlegen des eingesetzten Fasermaterials in ein Werkzeug lassen sich die Fasern nur schwer in innenliegende Ecken des Werkzeugs drapieren und überspannen. Im Zuge der Durchführung des Herstellungsverfahrens entstehen an den betreffenden Stellen Harzansammlungen ohne Verstärkungsfasern oder Luftblasen.
  • Zur Lösung des zugrundeliegenden Problems werden bei einem RTM-Verfahren, bei dem das Fasermaterial in einem Werkzeug mit einer unteren festen Werkzeugschale und einer Vakuumfolie, die gemeinsam mit der unteren Werkzeugschale die Kavität bildet, in die das Fasermaterial einzulegen ist, folgende Maßnahmen getroffen: im Bereich der Ecken und kleinen Radien des Faserverbund-Bauteils werden in die Folie des Werkzeugs Falten gelegt. Sobald die Kavität des Werkzeugs mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, übt die Folie in den Bereichen von Ecken oder kleinen Radien der festen Werkzeugschale einen lokalen Druck auf das Fasermaterial aus und verhindert, dass die Folie ebenfalls überspannt wird. Im Übrigen wird versucht, bei den herzustellenden Faserverbund-Bauteilen kleine Radien, soweit möglich, zu vermeiden.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich im Bereich von Ecken und kleinen Radien des Faserverbund-Bauteils qualitativ verbesserte Laminatstrukturen ergeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Danach ist das eingangs beschriebene Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Faserverbund-Bauteils dadurch charakterisiert, dass nach Einlegen des Fasermaterials in das Werkzeug und vor Umbildung des Fasermaterials in das Laminat in die Krümmung des Fasermaterials ein Roving eingelegt wird. Bei dem Roving handelt es sich insbesondere um Endlosfilamente, welche bei der Belegung des Werkzeugs nach Einlegen des trockenen oder als Prepreg vorliegenden Fasermaterials in die Ecken und Bereiche mit kleinen Radien entlang den Verlauf dieser Ecken und kleinen Radien eingelegt werden. Auf diese Weise entsteht eine Endlosfaserverstärkung des Faserverbund-Bauteils in Bereichen, die bei Anwendung von Verfahren nach dem Stand der Technik unverstärkt wären. Die Roving-Struktur kann zusätzlich als Versteifungsrahmen fungieren. Aufgrund einer bevorzugt vorgesehenen Endlosfaserstruktur hat sie eine hohe Festigkeit und Steifigkeit.
  • Bevorzugt ist der Roving aus demselben Material hergestellt, wie das Fasermaterial. Dabei kann es sich insbesondere um Glasfaser- oder Karbonfasermaterial handeln. Zwischen dem Material für die Endlosfilamente und dem Material für die Fasern können jedoch auch verschiedene Auswahlen getroffen sein. Das Fasermaterial liegt bevorzugt in ein oder mehreren Schichten von Fasermatten vor. Diese können entweder als Prepreg vorliegen, bei dem sie bereits mit einem Harz-/Härter-Gemisch beaufschlagt sind, oder aber als trockenes Fasermaterial, das im Zuge der Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur bei beispielsweise Durchführung eines RTM-Verfahrens, sowohl Harz als auch Härter zugesetzt werden.
  • Die Vorteile der Erfindung zeigen sich insbesondere dann, wenn ein Radius der Krümmung des Faserverbund-Bauteils kleiner als 20mm ist.
  • Vorteilhafterweise wird der Roving nach Einlegen des Fasermaterials in die Werkzeugschale derart auf dem Fasermaterial angeordnet und abgestützt, dass es auf das Fasermaterial im Bereich von dessen Krümmung als in Richtung auf die innenliegende gekrümmte Anlagefläche des Werkzeugs wirkendes Druckstück wirkt. Die Vakuumfolie neigt dazu in Ecken zu überspannen und Hohlräume zu bilden. Der Roving füllt diesen Hohlraum. Die Vakuumfolie drückt auf den Roving. Der Roving drückt wiederum das Fasermaterial in die Geometrie (z.B. kleiner Radius) der Kavität. Ein druckfreier Bereich, der durch ein Überspannen der Folie entstünde, wird verhindert. Zusätzlich können Falten in die Vakuumfolie gelegt werden, damit die Vakuumfolie in die Ecken der Werkzeugschale nachgezogen werden kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Querschnittsansicht eines in einer Werkzeugschale eingelegten Fasermaterials vor Umbildung des Fasermaterials in ein Laminat und
    • 2 eine schematische Querschnittsansicht eines in einer Werkzeugschale eingelegten Fasermaterials nach Umbildung des Fasermaterials in ein Laminat.
  • 1 zeigt ein trockenes Fasermaterial 1, das zur Umbildung zu einem Laminat in eine feste Werkzeugschale 2 eingelegt ist. Das Fasermaterial 1 dient zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils, wobei dessen äußere Form an diejenige des später vorliegenden Faserverbund-Bauteils angepasst ist.
  • Zu diesem Zweck weist die Werkzeugschale 2 eine innenliegende Ecke 3 auf, so dass die von der innenliegenden Ecke 3 vorgegebene Form im Zuge eines Laminier-Prozesses auf die äußere Form des angrenzenden Bereichs des Fasermaterials 1 übertragenen wird. Daher weist das Fasermaterial 1 einen gekrümmten Bereich 4 auf, der unmittelbar an die innenliegende Ecke 3 angrenzt. Sowohl die innenliegende Ecke 3 als auch der gekrümmte Bereich 4 erstrecken sich ein Stück weit entlang des plattenförmigen Faserverbund-Bauteils senkrecht zur Zeichnungsebene der 1 und 2.
  • Aus 1 wird zudem deutlich, dass in dem gekrümmten Bereich 4 ein Roving 5 eingelegt ist, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Endlosfilamenten gebildet ist, die ein Bündel bilden, sowie aus demselben Fasermaterial hergestellt ist, wie das Fasermaterial 1. Beispielsweise kann es sich dabei um Kohlenstoff- oder Glaserfasern handeln. Bezogen auf die Werkzeugschale 2 ist somit der Roving 5 auf einer Außenseite des gekrümmten Bereichs 4 des trockenen Fasermaterials angeordnet.
  • 2 zeigt nunmehr die Situation, die sich nach Durchführung eines Laminier-Prozesses, beispielsweise eines RTM-Verfahrens (Resin Transfer Molding-Verfahrens) ergibt. Eine zum Aufbau eines Unterdrucks im Bereich des Fasermaterials 1 erforderliche Kavität wird gebildet durch die Werkzeugschale 2 und eine Vakuumfolie 6, die gemeinsam eine druckdichte Kavität ausbilden, in der das Fasermaterial 1 angeordnet ist und beispielsweise durch Beaufschlagung der Kavität mit einem Unterdruck mit einem Harz-/Härtergemisch beaufschlagt wird, und zwar je nach Bedarf unter zusätzlicher Beaufschlagung mit Druck und/oder Wärme.
  • Im Bereich der innenliegenden Ecke 3 der Werkzeugschale 2 ergibt sich dann, dass das zum Laminat umgebildete Fasermaterial 1 eine rechtwinklige Kante (in 1 der gekrümmte Bereich 4) ausbildet, wobei der Roving 5 auf einer Innenseite der rechtwinkeligen Kante des Faserverbund-Bauteils angeordnet und mit dem Fasermaterial 1 verschmolzen ist. Dadurch ergibt sich eine Versteifung des Faserverbund-Bauteils im Bereich der innenliegenden Kante 3 der Werkzeugschale 2.
  • Wie ein Vergleich der 1 und 2 zeigt, wirkt der Roving 5 zusätzlich als Druckstück auf das Fasermaterial 1 und drückt dieses in die innenliegende Ecke 3 hinein, denn bei Anliegen eines Unterdrucks in der Kavität drückt die Vakkumfolie 6 auf den Roving 5 und der Roving 5 drückt das Fasermaterial 1 in das Werkzeug.
  • Das vorstehend dargelegte Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Faserverbund-Bauteils wird ausgehend von 2 dadurch zu Ende geführt, dass die Vakuumfolie 6 abgenommen und danach das fertige Faserverbund-Bauteil aus der Werkzeugschale 2 entnommen wird.
  • Es ist hervorzuheben, dass das vorgestellte Verfahren insbesondere für plattenförmige Faserverbund-Bauteile geeignet ist, deren äußere Form wenigstens eine Krümmung mit einem Radius von weniger als 20mm, insbesondere weniger als 10 mm aufweisen. Desto stärker die Krümmung ist, desto vorteilhafter ist das hier vorgestellte Verfahren. Sogar stärker als mit 5 mm Radius gekrümmte Bereiche eines Faserverbund-Bauteils können mit Hilfe dieses Verfahrens mit guter Qualität hergestellt werden, was eine Festigkeit der Struktur des plattenförmigen Faserverbund-Bauteils in seinem Krümmungsbereich angeht.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Faserverbund-Bauteils, dessen äußere Form wenigstens eine Krümmung aufweist, bei dem Fasermaterial (1) in ein Werkzeug eingelegt wird, das eine der Krümmung des Faserverbund-Bauteils angepasste innenliegende gekrümmte Anlagefläche für das Fasermaterial (1) aufweist und in dem Werkzeug unter Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur zu einem Laminat umgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach Einlegen des Fasermaterials (1) in das Werkzeug und vor Umbildung des Fasermaterials (1) in das Laminat in die Krümmung des Fasermaterials (1) ein Roving (5) eingelegt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (5) von einem Bündel aus Endlosfilamenten gebildet wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (5) aus demselben Material hergestellt ist wie das Fasermaterial (1).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radius der Krümmung des Faserverbund-Bauteils kleiner als 20 mm, bevorzugt kleiner als 10 mm ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (5) derart angeordnet und abgestützt wird, dass es auf das Fasermaterial (1) im Bereich (4) von dessen Krümmung als in Richtung auf die innenliegende gekrümmte Anlagefläche des Werkzeugs wirkendes Druckstück wirkt.
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