DE102022103036A1

DE102022103036A1 - Verfahren und Werkzeug zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlkörpers

Info

Publication number: DE102022103036A1
Application number: DE102022103036.9A
Authority: DE
Inventors: Sven Ropte
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen eines hohlen Formkerns zur Ablage von Fasermaterial, wobei zumindest teilweise die äußere Formkernoberfläche aus einem in das Fasermaterial infundierbaren Matrixmaterial gebildet ist und zunächst eine zur Ablage von Fasermaterial geeignete Festigkeit aufweist,- Ablegen von Fasermaterial auf die äußere Formkernoberfläche des hohlen Formkerns zur Herstellung einer Faserpreform auf dem Formkern,- Erzeugen eines Innendruckes in einem Hohlraum des hohlen Formkerns derart, dass der Innendruck im Inneren des Formkerns größer ist als ein das abgelegte Fasermaterial umgebender Umgebungsdruck, nach dem die Faserpreform auf dem Formkern hergestellt ist, mittels einer Druckeinrichtung und- Temperieren des Formkerns, auf der die Faserpreform hergestellt ist, zumindest abschnittsweise mittels einer Temperiereinrichtung,- wobei der Innendruck und die Temperatur so gewählt sind, dass die äußere Formkernoberfläche in das Fasermaterial der auf dem Formkern hergestellten Faserpreform infundiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial. Die Erfindung betrifft ebenso ein Werkzeug hierzu.
Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen weiteren Anwendungsgebieten, wie beispielsweise dem Automobilbereich, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vorgegebene Richtung abtragen.
Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, durch den das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).
Drucktanks müssen in der Regel in der Lage sein, erhebliche Kräfte aufzunehmen. Um dies zu gewährleisten, wird bei der Verwendung eines isotropen Werkstoffs, beispielsweise ein metallischer Werkstoff, daher die Belastbarkeit durch eine hohe Wandstärke erreicht, wodurch solche Tanks ein relativ hohes Gewicht aufweisen. Ein günstigeres Verhältnis mit Leichtbaupotenzial lässt sich dann realisieren, wenn ein Faserverbundwerkstoff verwendet wird.
Es ist bekannt, Drucktanks als Speicher für gasförmige oder flüssige Fluides, wie beispielsweise Erdgas, Wasserstoff oder Benzin, aus solchen Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Um bei derartigen, insbesondere rotationssymmetrischen Hohlkörpern eine optimale Belastungsgrenze im Hinblick auf das Gewicht zu erreichen, werden derartige Drucktanks in der Regel in einem Wickelverfahren hergestellt. Dabei wird ein meist quasiendloses Fasermaterial auf einen sich drehenden Formkörper bzw. Formkern als Formwerkzeug abgelegt, in dem das Fasermaterial auf den Formkörper aufgewickelt bzw. der Formkörper mit dem Fasermaterial umwickelt wird. Durch Veränderung der Faserorientierung kann hierbei ein fast isotropes Lastverhalten realisiert werden, auch wenn der zugrunde liegende Faserverbundwerkstoff anisotropes Werkstoffverhalten aufweist. Solche Drucktanks aus einem Faserverbundwerkstoff sind dabei besonders effizient, da die Fasern des Fasermaterials gemäß einer Isotensoid-Struktur in den Lastrichtungen auf den Formkörper abgelegt werden können und die Fasersteifigkeit und Faserfestigkeit somit bestmöglich ausgenutzt wird. So kann das Gewicht eines Drucktanks aus einem Faserverbundwerkstoff gegenüber einem Drucktank aus Aluminium um mehr als das zehnfache gesenkt werden. Auch die Herstellung von derartigen Hohlkörpern als Geflecht ist bekannt.
Aus der DE 10 2010 043 645 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Druck Drucktanks zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Fluids bekannt, der aus mehreren Elementen aus einem textilen Flächenmaterial aus Verstärkungsfasern gebildet wird. Das Flächenmaterial wird dabei auf einen Formkörper aufgelegt und kann beispielsweise mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff getränkt sein. Der Formkörper, auf den das Flächenmaterial abgelegt wird, kann dabei mit einem Überdruck beaufschlagt werden, um den Formkörper leicht zu expandieren und so den Formschluss zwischen dem Formkörper und dem Fasermaterial zu verbessern. Hierdurch soll verhindert werden, dass sich beispielsweise überschüssiges Harz in Zwischenräumen zwischen dem Formkörper und dem Fasermaterial ansammelt und so unter Umständen sogenannte Harznester entstehen. Außerdem kann hierdurch gegebenenfalls der Faservolumengehalt des Fasermaterials erhöht werden.
Der Drucktank wird dann durch Aushärten bzw. Konsolidieren des Matrixmaterials hergestellt. Je nach verwendetem Formkern wird dieser nach dem Aushärten des Matrixmaterials aus dem so hergestellten Faserverbund-Hohlkörper entfernt oder verbleibt als innenliegende Schicht innerhalb des hergestellten Hohlkörpers. Dieser so im Hohlkörper verbleibende Liner bildet dabei eine Permeationssperre, sodass Flüssigkeiten und Gase sicher innerhalb des Faserverbund-Hohlkörpers auch unter Druck gelagert werden können. Nachteilig hierbei ist, dass der im Hohlkörper verbleibende Liner das Gesamtgewicht des Drucktanks erhöht und dem Leichtbaugedanken diametral gegenübersteht.
Wird ein solcher Liner beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt und soll später nach der Herstellung des Hohlkörpers im Inneren verbleiben, so muss der Liner jedoch die fertigungstechnischen Anforderungen erfüllen. Er muss sich zum einen herstellen lassen und zum anderen eine ausreichende Steifigkeit während der Ablage des Fasermaterials bieten. Die Verformung, insbesondere bei größeren Drucktanks herausfordernd, muss begrenzt werden. Beides führt jedoch zu höheren Wandstärken und damit zu einer höheren Masse, als es eigentlich für die schlussendliche Funktion des im Inneren verbleibenden Liners (z.B. Permeationssperre) notwendig wäre.
Weiterhin kann die Anbindung des Werkzeuges an die Fasern ein kritischer Aspekt sein. Ein Ablösen des Liners von den Fasern kann zu einem Buckling des Liners führen (knicken, einwölben), wodurch der Liner zerstört werden kann und die Wichtigkeit nicht mehr gewährleistet wäre. Aber auch ein Versagen des Drucktanks wäre denkbar.
Es ist weiterhin aus der Praxis bekannt, bei der Herstellung von Faserverbund-Hohlkörpern zunächst zwei separate Hälften herzustellen, aus denen sich dann beispielsweise ein darin befindliches Kernwerkzeug problemlos entfernen lässt. Anschließend müssen die beiden separaten Hälften jedoch miteinander gefügt werden, wobei an der Fügestelle zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden müssen, um eine drucksichere Anbindung der beiden Hälften sicherzustellen. Durch eine derartige Herstellungsvariante wird jedoch der durchgehende Lastpfad überdies gesamte Bauteile hinweg unterbrochen, wodurch schlussendlich mehr Material als nötig aufgewendet werden muss.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers anzugeben, mit dem der Gedanke des Leichtbaus optimiert werden kann.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines hohlen Formkerns zur Ablage von Fasermaterial, wobei zumindest teilweise die äußere Formkernoberfläche aus einem in das Fasermaterial infundierbaren Matrixmaterial gebildet ist und zunächst eine zur Ablage von Fasermaterial geeignete Festigkeit aufweist,
- Ablegen von Fasermaterial auf die äußere Formkernoberfläche des hohlen Formkerns zur Herstellung einer Faserpreform auf dem Formkern,
- Erzeugen eines Innendruckes in einem Hohlraum des hohlen Formkerns derart, dass der Innendruck im Inneren des Formkerns größer ist als ein das abgelegte Fasermaterial umgebender Umgebungsdruck, nach dem die Faserpreform auf dem Formkern hergestellt ist, mittels einer Druckeinrichtung und
- Temperieren des Formkerns, auf der die Faserpreform hergestellt ist, zumindest abschnittsweise mittels einer Temperiereinrichtung,
- wobei der Innendruck und die Temperatur so gewählt sind, dass das die äußere Formkernoberfläche bildende Matrixmaterial in das Fasermaterial der auf dem Formkern hergestellten Faserpreform infundiert wird.

Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, einen Formkern bereitzustellen, bei dem zumindest teilweise die äußere Oberfläche, auf die das Fasermaterial abgelegt werden soll, aus einem in das Fasermaterial infundierbaren Matrixmaterial gebildet ist und vor der Ablage des Fasermaterials eine für die Ablage von Fasermaterial geeignete Festigkeit aufweist. Da das Fasermaterial in der Regel mit einer gewissen Kraft auf das Werkzeug gedrückt wird (beispielsweise durch Zugkräfte im Wickelverfahren oder durch Druckkräfte beim Ablegen mittels Legekopf), muss das Matrixmaterial diese geeignete Festigkeit aufweisen, um zu verhindern, dass das Matrixmaterial aufgrund der Krafteinwirkung, mit der das Fasermaterial auf dem Formkern gedrückt wird, seitlich herausgedrückt wird.
Zumindest teilweise meint hierbei, dass nicht die gesamte Formkernoberfläche, auf die das Fasermaterial abgelegt wird, aus einem solchen in das Fasermaterial infundierbaren Matrixmaterial gebildet sein muss. Es ist ebenfalls denkbar und von dem Erfindungsgedanken umfasst, dass nur bestimmte Bereiche der Formkernoberfläche ein solches infundierbare Matrixmaterial aufweisen bzw. aus diesem Matrixmaterial gebildet sind.
Nach dem Ablegen des Fasermaterials auf die äußere Formkernoberfläche des Formkerns und der so hergestellten Faserpreform, wird ein Innendruck in einem Hohlraum des hohlen Formkerns erzeugt, sodass der Innendruck im Inneren des Formkerns größer ist als ein das abgelegte Fasermaterial umgebender Umgebungsdruck. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass aktiv mithilfe einer Druckeinrichtung ein Überdruck im Inneren des Formkerns erzeugt wird. Denkbar ist aber auch, dass der Hohlraum des Formkerns verschlossen ist gegenüber der Umgebung und der Umgebungsdruck durch eine Vakuumpumpe abgesenkt wird, wodurch ebenfalls ein Innendruck im Inneren des Formkerns entsteht. Durch dieses Innendruck wird dabei die Formkernoberfläche in Richtung des abgelegten Fasermaterials der hergestellten Faserpreform gedrückt.
Des Weiteren wird nach dem Ablegen des Fasermaterials der Formkern, genauer gesagt die Formkernoberfläche, temperiert, wobei auch hier der gesamte Formkern oder nur lokale Bereiche des Formkerns gezielt temperiert werden können. Das Temperieren der Formkernoberfläche kann global oder lokal begrenzt erfolgen. Denkbar ist dabei, dass der Innenraum bzw. Hohlraum des Formkerns durch ein für den Innendruck notwendigen Fluidstrom globaltemperiert wird, umso das Matrixmaterial des Formkerns zur Infundieren. Denkbar ist aber auch, dass nur lokale Bereiche gezielt temperiert werden, um nur an diesen Stellen ein Infundieren des Formkerns in das Fasermaterial zu bewirken.
Der Innendruck und die Temperatur sind dabei so gewählt, dass das Matrixmaterial, welches zumindest teilweise die äußere Formkernoberfläche bildet, in das abgelegte Fasermaterial der Faserpreform infundiert und so zumindest einen Teil dazu beiträgt, die Faserpreform mit Matrixmaterials ertränken. Durch das Temperieren der Formkernoberfläche wird dabei die Viskosität des die Formkernoberfläche bildenden Matrixmaterials soweit abgesenkt, dass in Verbindung mit dem erzeugten Innendruck im Inneren des hohlen Formkerns das so aufgeschmolzene Matrixmaterial in die abgelegte Faserpreform gedrückt wird.
Als Fasermaterial kann dabei sowohl ein trockenes Fasermaterial als auch ein bereits vorimprägniertes Fasermaterial (sogenannte Prepregs) verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Teil des Werkzeuges oder das gesamte Werkzeug als Vorrat aus Matrixmaterial verwendet werden, da ein Teil des Werkzeuges oder das gesamte Werkzeug selbst schlussendlich in das Fasermaterial infundiert und somit bestenfalls sich vollständig auflöst. Hierdurch kann ein optimaler Leichtbaugedanken realisiert werden. Im bestmöglichen Fall löst sich dabei das Werkzeug vollständig auf, sodass an der Innenwandung des Faserverbund-Hohlbauteils keine Bauteile, wie beispielsweise innenliegende Liner, verbleiben. Bei gleichbleibender Stabilität kann hierbei das Gewicht des Hohlbauteils deutlich gesenkt werden. Alternativ kann auch bei einem mehrschichtigen Aufbau des Werkzeuges ein Teil des Werkzeuges an der Innenwandung des Hohlbauteils als Liner verbleiben und dort beispielsweise als zusätzliche Permeationssperre dienen, wodurch immer noch erheblich Gewicht eingespart werden kann.
Dass die äußere Formkernoberfläche bildende und in das Fasermaterial infundierbare Matrixmaterial weist dabei vor der Ablage einen festen Zustand auf. Dies kann bspw. ein Thermoplast (bspw. Polyethylen(PE) oder Polyamide (PA)) sein. Aber auch Duromere oder Elastomere können zum Einsatz kommen. Denkbar ist auch, dass ein Harzfilm verwendet wird, der noch nicht vollständig ausgehärtet ist, aber schon eine derart hohe Viskosität hat, dass eine Ablage des Fasermaterials möglich ist.
Der bereitgestellte Innendruck dabei ein Druck, der auf die Innenwandung der Formkernoberfläche wirkt und somit einen von innen nach außen wirkenden Durckgradienten erzeugt. Dieser Druckgradient ermöglicht im Zusammenhang mit der Temperierung zur Beeinflussung der Viskosität ein Infundieren zumindest eines Teils der Formkernoberfläche in das Fasermaterial.
Nach dem Prozessschritt der Erzeugung des Innendruckes und der Temperierung, um zumindest einen Teil der Formkernoberfläche in das Fasermaterial zu Infundieren, wird das in das Fasermaterial infundierte Matrixmaterial konsolidiert bzw. ausgehärtet, um den Faserverbund-Hohlkörpers herzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ablegen des Fasermaterials auf die äußere Formkernoberfläche des hohlen Formkerns in einem Wickelverfahren erfolgt. Beim Wickelverfahren wird dabei eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Formkerns und dem Fasermaterial ausgeführt, sodass das Fasermaterial auf die äußere Mantelfläche des Formkerns aufgewickelt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein hohler Formkern bereitgestellt wird, der zumindest im Bereich der Formkernoberfläche einen Liner aus einem Material aufweist, welches vollständig aus dem infundierbaren Matrixmaterial gebildet ist oder aus diesem besteht, wobei der Innendruck und die Temperatur so gewählt sind, dass der Liner vollständig in das Fasermaterial der auf dem Formkern hergestellten Faserpreform infundiert wird.
In dieser Ausführungsform besteht der gesamte Teil des Liners, der die Formkernoberfläche zur Ablage des Fasermaterials und zur Bildung des Bauteils bildet, aus einem vollständig in das Fasermaterial infundierbaren Matrixmaterial, sodass nach dem Herstellungsprozess die gesamte Formkernoberfläche in das Fasermaterial infundiert ist und somit integraler Bestandteil des Bauteils wurde.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein hohler Formkern bereitgestellt wird, der zumindest im Bereich der Formkernoberfläche einen Innenliner aufweist, der bei Beaufschlagung mit Innendruck und Temperatur nicht als Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert wird, wobei auf diesen Innenliner ein Außenliner aus dem in das Fasermaterial infundierbaren Matrixmaterial aufgebracht ist, der die Formkernoberfläche zum Ablegen des Fasermaterials bildet.
In dieser Ausführungsform besteht der Formkern aus mindestens zwei Linerschichten, von denen eine als Matrixmaterial in das Fasermaterial infundierbaren ist und die andere, innenliegende Linerschicht nicht in das Fasermaterial infundierbaren ist. Der innenliegende Innenliner verbleibt dabei nach der Herstellung des Faserverbund-Hohlkörpers innerhalb des Hohlraums des Hohlkörpers und liegt an dessen Innenwandung an. Ein solcher Innenliner kann dabei zusätzliche Funktionen übernehmen, wie beispielsweise eine zusätzliche Permeationssperre.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Innenliner ein flexibler Innenliner ist, wobei der flexible Innenliner bei Beaufschlagung mit Innendruck und Temperatur während des Infundierens des Außenliners in das Fasermaterial expandiert.
Durch die Temperierung erhält der das Material des Außenliners, welches als Matrixmaterial in das Fasermaterial Infundieren soll, eine Viskosität, die geeignet ist, dass der Außenliner in das Fasermaterial Infundieren kann. Der Druckgradient drückt dabei von innen nach außen den Außenliner in das Fasermaterial, wodurch eine (meist unwesentliche) Expansion des innen Liners stattfindet. Dabei vergrößert sich das Innenvolumen des Hohlkörpers in dem Maße, wie das Werkzeug an Wandstärke abnimmt.
So ist es bei diesen Ausführungsformen beispielsweise denkbar, dass der Innenliner aus einem Hochtemperatur-Thermoplast (PEEK) besteht oder einen solchen aufweist und der darauf aufgebrachte Außenliner einen niedrigschmelzenden Thermoplast (PVDF, PA, PE)aufweist oder aus einem solchen besteht. Denkbar ist aber auch, dass der Innenliner aus einem Thermoplast (PEEK, PVDF, PA, PE) besteht und darauf als Außenliner ein B-staged Harzfilm (noch nicht vollständig ausgehärteter, aber schon deutlich zäherer Epoxidharzfilm) aufgebracht ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein hohler Formkern bereitgestellt wird, bei dem die Dicke des die Formkernoberfläche bildenden infundierbaren Matrixmaterials variiert.
Hierdurch wird es möglich, die Menge an Matrixmaterial, die von innen nach außen in das Fasermaterial Infundieren soll, festzulegen, sodass beispielsweise auf bauliche Besonderheiten des Hohlkörpers (beispielsweise Materialaufdickungen) Rücksicht genommen werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein hohler Formkern bereitgestellt wird, bei dem das die Formkernoberfläche bildende infundierbare Matrixmaterial wenigstens zwei verschiedenen Materialien aufweist, die sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft unterscheiden.
So können Materialien mit unterschiedlichen Materialeigenschaften verwendet werden, um unterschiedliche Aufgaben und Zielsetzungen zu realisieren. So können sich die Materialien hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft wie beispielsweise Schmelzpunkt, Viskosität in der Schmelze, chemische Löslichkeit, E-Modul, etc. unterscheiden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Formkern lokale begrenzt durch die Temperiereinrichtung temperiert wird, wobei während des Temperierens eine Relativbewegung zwischen dem Formkern und der Temperiereinrichtung ausgeführt wird.
Hierbei wird das Infundieren des Matrixmaterials des Formkerns nur lokal an vorgesehenen Stellen des Hohlkörpers bewirkt. So kann beispielsweise gezielt auf bestimmte Eigenschaften des Hohlkörpers und bauliche Gegebenheiten des Hohlkörpers Rücksicht genommen werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Innendruck global im gesamten Innenraum des Hohlkörpers anliegt, während die Temperierung nur lokal erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Erzeugung des Innendruckes ein Fluid in den Hohlraum unter Druck eingefüllt wird, wobei das Fluid zum Temperieren des Formkerns temperiert wird. Das erzeugen des Innendruckes kann dabei hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Das dafür jeweils eingesetzte Fluid (Flüssigkeit oder Gas) wird dabei entsprechend temperiert, um somit der Erzeugung des Innendruckes gleichzeitig auch das Temperieren der Formkernoberfläche zu bewirken.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an einer äußeren Oberfläche der auf dem Formkern hergestellten Faserpreform zumindest teilweise eine Fließsperre aufgebraucht wird, um ein Durchdrücken des Matrixmaterials von innen nach außen zu verhindern.
Dieser Ausführungsform besonders dann vorteilhaft, wenn das Ziel eine vollständige Tränkung ist. So ist es vom Erfindungsgedanken umfasst, dass mit dem infundierbaren Matrixmaterial der äußeren Formkernoberfläche die Faserpreform nur teilweise getränkt wird, sodass die noch trockenen Bereiche zusätzlich in einem Infusionsprozess getränkt werden müssen. Es ist aber auch vom Erfindungsgedanken umfasst, dass die äußere Formkernoberfläche eine derart große Menge an infundierbaren Matrixmaterial aufweist, dass bei einem vollständigen Infundieren der Formkernoberfläche das gesamte Bauteil bzw. die gesamte Faserpreform vollständig getränkt ist.
Eine solche Fließsperre kann beispielsweise durch eine Umwidmung mit nicht im Prozess schmelzenden oder erweichenden Folien erfolgen. Eine solche Fließsperre kann aber auch durch eine (lokale) Entwicklung mit einem dünnen Blech realisiert werden, welches hinterher wieder entfernt werden kann. Schließlich kann auch eine Schicht aus einem duromeren Kunststoff (z.B. ein Epoxidharz) auf die äußere Oberfläche der Faserpreform aufgebracht werden, welches bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur schnell aushärtet und damit eine effektive Barriere bildet.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine solche Fließsperre auch dadurch erfolgen, dass eine äußere Oberfläche der auf dem Formkern hergestellten Faserpreform von außen zumindest teilweise gekühlt wird, um die Viskosität des Matrixmaterials im Bereich der äußeren Oberfläche zu erhöhen. Die Viskosität des Matrixmaterials an der äußeren Oberfläche der Faserpreform wird dabei so erhöht, dass trotz des Druckgradientens kein Matrixmaterial von innen nach außen aus der äußeren Oberfläche der Faserpreform gedrückt werden kann.
Eine Fließsperre hat dabei den Vorteil, dass das Matrixmaterial nicht aus der äußeren Oberfläche herausgedrückt wird, wodurch ansonsten eine Kapillare vom inneren Volumen zur äußeren Umgebung durch die Fasern hindurch gebildet werden würde. Eine solche Kapillare würde dabei zu einem Druckabfall führen, wodurch außerdem die Integrität des Hohlkörpers gefährdet wäre.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Werkzeug gemäß Anspruch 12 erfindungsgemäß gelöst. Verdacht Ausgestaltungen des Werkzeugs finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird ein Werkzeug zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial, wobei das Werkzeug einen eine äußere Formkernoberfläche aufweisenden hohlen Formkern hat, auf die das Fasermaterial zu Herstellung einer Faserpreform ablegbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die äußere Formkernoberfläche zumindest teilweise aus einem in das Fasermaterial einer auf dem Formkern hergestellten Faserpreform infundierbaren Matrixmaterial gebildet ist und eine zur Ablage von Fasermaterial geeignete Festigkeit aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Werkzeug eine Temperiereinrichtung aufweist, die zum Temperieren der äußeren Formkernoberfläche eingerichtet ist, und/oder eine Druckeinrichtung aufweist, die zum Erzeugen eines Innendruckes in einem Hohlraum des hohlen Formkerns erzeugt, so dass der Innendruck im Inneren des Formkerns größer ist als ein die hergestellte Faserpreform umgebender Umgebungsdruck.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Formkern zumindest im Bereich der Formkernoberfläche einen Innenliner aufweist, der nicht als Matrixmaterial in das Fasermaterial infundiert wird, wobei auf diesen Innenliner ein Außenliner aus dem in das Fasermaterial infundierbaren Matrixmaterial aufgebracht ist, der die Formkernoberfläche zum Ablegen des Fasermaterials bildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Innenliner ein flexibler Innenliner ist, der bei Erzeugung eines Innendrucks in einem Hohlraum des Formkerns während des Infundierens des Außenliners in das Fasermaterial expandiert.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dicke des die Formkernoberfläche bildenden infundierbaren Matrixmaterials variiert.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das die Formkernoberfläche bildende infundierbare Matrixmaterial wenigstens zwei verschiedenen Materialien aufweist, die sich hinsichtlich einer Materialeigenschaft unterscheiden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Werkzeuges mit einer hergestellten Faserpreform in einer Übersicht;
2 Darstellung verschiedener Bereiche des Infundierens;
3 Darstellung einer Ausführungsform zum Temperieren;
4 Weitere Varianten des Temperierens.

Figur ein zeigt in einer schimmerte stark vereinfachten Darstellung ein Werkzeug 10, welches einen Formkern 11 hat, auf dem ein Fasermaterial 12 abgelegt ist, um eine Faserpreform auf dem Formkern 11 herzustellen. Der Formkern 11 weist dabei eine Formkernoberfläche 13 auf, die vollständig aus einem schmelzbaren Matrixmaterial gebildet ist.
Schematisch nur angedeutet ist dabei eine Druckeinrichtung 14, die zum Erzeugen eines Innendruckes pl in einem Hohlraum 15 des Formkerns 11 ausgebildet ist. Des Weiteren ist eine Temperiereinrichtung 16 vorgesehen, die zum Temperieren der Formkernoberfläche 13 ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das zum Erzeugen des Innendruckes pl notwendige Fluid temperiert in den Hohlraum 15 des Formkerns 11 geleitet wird und so global das gesamte Werkzeug temperiert.
Wird nun die Formkernoberfläche 13 über den Schmelzpunkt des verwendeten Materials (beispielsweise ein Thermoplast) temperiert und gleichzeitig ein entsprechender Innendruck pl erzeugt, der größer ist als ein das Werkzeug umgebender Außendruck pA, so wird das Material der Formkernoberfläche 13, mithin das gesamte Material des Formkerns 11, in das Fasermaterial 12 der Faserpreform gedrückt und in das Fasermaterial 12 infundiert. Im Anschluss an diesen Prozess kann der gesamte Formkern 11 bzw. die gesamte Formkernoberfläche 13 als Matrixmaterial das Fasermaterial 12 Tränken und ist vollständig infundiert.
Der Formkern 11 kann dabei lokal oder global erwärmt werden. Er schmilzt dabei auf und wird aufgrund des Druckgradienten pl >> pA von innen nach außen in das Fasermaterial 12 gedrückt, wodurch eine Expansion stattfindet und das Innenvolumen 15 des Formkerns 11 um das Maß, mit dem die Formkernoberfläche 13 abnimmt, größer wird. Das Ziel dieses Prozessschrittes ist es, das Material des Formkerns 11 in die abgelegten Fasern des Fasermaterials 12 lokal oder global partiell oder vollständig zu tränken. Sofern der Formkern 11 zum Teil oder im Ganzen aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht, ist nach dem Tränken der Fasern nur noch ein abkühlen der Matrix notwendig.
Über die Position und Steuerung der Temperierungsleistung kann der gesamte Prozess gesteuert werden. Weiterhin kann der Prozess über die Eigenschaften des Materials des Formkerns 11 gesteuert werden. Wird beispielsweise ein Kunststoffwerkzeug mit einem schichtweisen Aufbau gewählt, bei welchem die Schichten unterschiedliche Erweichungs- und Schmelztemperaturen besitzen, so kann z.B. die obere Schicht im Prozess Schmelz flüssig sei und für die Tränkung genutzt werden, wohingegen die untere Schicht noch fest, aber vielleicht schon etwas weicher durch den Temperatureinfluss ist. Hierdurch wird die untere Schicht jedoch leicht weicher, sodass der Druck für die Tränkung übertragen und sich dabei dem Setzweg folgen kann.
Weiterhin ist eine Steuerung des Prozesses über den Druckgradienten denkbar, der in Abhängigkeit der Temperatur und der damit einhergehenden Viskosität des infundierbaren Matrixmaterials so gewählt ist, dass der Druckgradient das aufgeschmolzene Matrixmaterial in das Fasermaterial drückt.
2 zeigt hierbei im Detail die verschiedenen Bereiche der Tränkung, wenn meine lokal begrenzte Temperierung stattfindet. Im ersten Bereich a) fand keine hinreichende Temperierung statt, sodass in diesem Bereich der Formkern 11 seine ursprüngliche Dicke hat und dass Material nicht in das Fasermaterial 12 infundiert ist.
In einem Übergangsbereich b) ist dabei das Material des Formkerns 11 teilweise in das Fasermaterial 12 infundiert, während in einem dritten Bereich c) der Formkern 11 nahezu vollständig in das Fasermaterial 12 infundiert wurde.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Temperierung mithilfe einer mobilen Temperiereinrichtung 17 erfolgt. Auf der Formkernoberfläche 13 des Formkerns 11 sind dabei metallische Elemente 18 aufgebracht, die zwischen der Formkernoberfläche 13 und dem abgelegten Fasermaterial 12 liegen. An der äußeren Oberfläche des Fasermaterials 12 befindet sich eine Fließsperre 19, um ein Austritt des Matrixmaterials an der Oberfläche der Faserpreform zu verhindern.
Die metallischen Elemente 18, die beispielsweise ein metallisches Halbzeug sein können (beispielsweise ein Drahtgewebe oder elektrisch leitende Partikel) können nun bestromt werden, wodurch sich die metallischen Elemente 18 aufgrund des elektrischen Widerstandes erwärmen und so einen entsprechenden Wärmeeintrag bewirken. Denkbar ist aber auch, dass die metallischen Elemente für eine induktive Erwärmung genutzt werden, indem mithilfe der mobilen Temperiereinrichtung 17 ein elektromagnetisches Wechselfeld eingebracht wird, sodass Wirbelströme in den metallischen Elementen 18 entstehen, die zu einer Erwärmung und einem Temperatureintrag führen.
Wie in 3 zu sehen ist, erfolgt dabei mithilfe der mobilen Temperiereinrichtung 17 im gezeigten Bereich ein lokaler Temperatureintrag in induktive Form, in dem lediglich im vorgesehenen Bereich die metallischen Elemente zur induktiven Erwärmung genutzt werden. Das Matrixmaterial des Formkerns 11 wird dabei temperiert und schmilzt dabei auf bzw. erhält dabei eine Viskosität, die ausreichend ist, dass aufgrund des eingestellten Innendruckes pl das Matrixmaterial in dem gewünschten Bereich in das Fasermaterial 12 infundiert.
Wird die mobilen Temperiereinrichtung 17 langsam gegenüber dem Formkern 11 bewegt, so kann auch mit dieser Art und Weise ein vollständiger globaler Energieeintrag bewirkt werden.
Handelt es sich bei dem Fasermaterial 12 beispielsweise um einen elektrischen leitfähiges Fasermaterial (CFK), so könnte auf die metallischen Elemente 18 verzichtet werden und gegebenenfalls das Fasermaterial 12 induktiv zur Erwärmung angeregt werden.
4 zeigt alternativer Ausführungsformen für einen lokalen Energieeintrag. Mithilfe der Temperiereinrichtung 17 kann in der 4a) eine Temperierung beispielsweisen in Form eines Infrarot-Strahlers erfolgen. Auch konvektiv von außen mithilfe eines gerichteten Luftstrom oder eines Ofens ist eine denkbare Möglichkeit der Temperierung.
4b) zeigt einen Wärmeeintrag mittels eines elektromagnetischen Wechselfeldes in elektrisch leitfähigen Faserhalbzeugen. Dabei wird das Fasermaterial 12 erwärmt, wobei diese Temperierung auch auf den Formkern 11 übergeht. Hierdurch wird das Matrixmaterial ausreichend erwärmt und kann dann aufgrund des Druckgradientens in das Fasermaterial Infundieren.
4c) zeigt schließlich eine globale Erwärmung, bei der der gesamte Innenraum des Werkzeuges temperiert und somit das Material des Formkerns vollständig erwärmt wird. Aufgrund des Druckgradienten erfolgt dann eine entsprechende in Fundierung global. Dabei ist es denkbar, dass auch eine vollumfängliche Temperierung von außen über einen Ofen möglich ist. Auch Strahlungswärme und Drehung des Aufbaus ist dabei eine denkbare Temperierung.
Bezugszeichenliste

10: Werkzeug
11: Formkern
12: Fasermaterial
13: Formkernoberfläche
14: Druckeinrichtung
15: Hohlraum
16: Temperiereinrichtung
17: mobile Temperiereinrichtung
18: metallische Elemente
19: Fließsperre
a): erster Bereich
b): Übergangsbereich
c): dritter Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010043645 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial (12) und ein das Fasermaterial (12) einbettendes Matrixmaterial, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen eines hohlen Formkerns (11) zur Ablage von Fasermaterial (12), wobei zumindest teilweise die äußere Formkernoberfläche (13) aus einem in das Fasermaterial (12) infundierbaren Matrixmaterial gebildet ist und zunächst eine zur Ablage von Fasermaterial (12) geeignete Festigkeit aufweist, - Ablegen von Fasermaterial (12) auf die äußere Formkernoberfläche (13) des hohlen Formkerns (11) zur Herstellung einer Faserpreform auf dem Formkern (11), - Erzeugen eines Innendruckes in einem Hohlraum (15) des hohlen Formkerns (11) derart, dass der Innendruck im Inneren des Formkerns (11) größer ist als ein das abgelegte Fasermaterial (12) umgebender Umgebungsdruck, nach dem die Faserpreform auf dem Formkern (11) hergestellt ist, mittels einer Druckeinrichtung (14) und - Temperieren des Formkerns (11), auf der die Faserpreform hergestellt ist, zumindest abschnittsweise mittels einer Temperiereinrichtung (16), - wobei der Innendruck und die Temperatur so gewählt sind, dass die äußere Formkernoberfläche (13) in das Fasermaterial (12) der auf dem Formkern (11) hergestellten Faserpreform infundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablegen des Fasermaterials (12) auf die äußere Formkernoberfläche (13) des hohlen Formkerns (11) in einem Wickelverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohler Formkern (11) bereitgestellt wird, der zumindest im Bereich der Formkernoberfläche (13) einen Liner aus einem Material aufweist, welches vollständig aus dem infundierbaren Matrixmaterial gebildet ist oder aus diesem besteht, wobei der Innendruck und die Temperatur so gewählt sind, dass der Liner vollständig in das Fasermaterial (12) der auf dem Formkern (11) hergestellten Faserpreform infundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohler Formkern (11) bereitgestellt wird, der zumindest im Bereich der Formkernoberfläche (13) einen Innenliner aufweist, der bei Beaufschlagung mit Innendruck und Temperatur nicht als Matrixmaterial in das Fasermaterial (12) infundiert wird, wobei auf diesen Innenliner ein Außenliner aus dem in das Fasermaterial (12) infundierbaren Matrixmaterial aufgebracht ist, der die Formkernoberfläche (13) zum Ablegen des Fasermaterials (12) bildet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenliner ein flexibler Innenliner ist, wobei der flexible Innenliner bei Beaufschlagung mit Innendruck und Temperatur während des Infundierens des Außenliners in das Fasermaterial (12) expandiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohler Formkern (11) bereitgestellt wird, bei dem die Dicke des die Formkernoberfläche (13) bildenden infundierbaren Matrixmaterials variiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohler Formkern (11) bereitgestellt wird, bei dem das die Formkernoberfläche (13) bildende infundierbare Matrixmaterial wenigstens zwei verschiedenen Materialien aufweist, die sich hinsichtlich mindestens einer Materialeigenschaft unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (11) lokale begrenzt durch die Temperiereinrichtung (16) temperiert wird, wobei während des Temperierens eine Relativbewegung zwischen dem Formkern (11) und der Temperiereinrichtung (16) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Innendruckes ein Fluid in den Hohlraum (15) unter Druck eingefüllt wird, wobei das Fluid zum Temperieren des Formkerns (11) temperiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer äußeren Oberfläche der auf dem Formkern (11) hergestellten Faserpreform zumindest teilweise eine Fließsperre (19) aufgebraucht wird, um ein Durchdrücken des Matrixmaterials von innen nach außen zu verhindern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Oberfläche der auf dem Formkern (11) hergestellten Faserpreform von außen zumindest teilweise gekühlt wird, um die Viskosität des Matrixmaterials im Bereich der äußeren Oberfläche zu erhöhen.
Werkzeug (10) zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial (12) und ein das Fasermaterial (12) einbettendes Matrixmaterial, wobei das Werkzeug (10) einen eine äußere Formkernoberfläche (13) aufweisenden hohlen Formkern (11) hat, auf die das Fasermaterial (12) zu Herstellung einer Faserpreform ablegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Formkernoberfläche (13) zumindest teilweise aus einem in das Fasermaterial (12) einer auf dem Formkern (11) hergestellten Faserpreform infundierbaren Matrixmaterial gebildet ist und eine zur Ablage von Fasermaterial (12) geeignete Festigkeit aufweist.
Werkzeug (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) eine Temperiereinrichtung (16) aufweist, die zum Temperieren der äußeren Formkernoberfläche (13) eingerichtet ist, und/oder eine Druckeinrichtung (14) aufweist, die zum Erzeugen eines Innendruckes in einem Hohlraum (15) des hohlen Formkerns (11) erzeugt, so dass der Innendruck im Inneren des Formkerns (11) größer ist als ein die hergestellte Faserpreform umgebender Umgebungsdruck.
Werkzeug (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkern (11) zumindest im Bereich der Formkernoberfläche (13) einen Innenliner aufweist, der nicht als Matrixmaterial in das Fasermaterial (12) infundiert wird, wobei auf diesen Innenliner ein Außenliner aus dem in das Fasermaterial (12) infundierbaren Matrixmaterial aufgebracht ist, der die Formkernoberfläche (13) zum Ablegen des Fasermaterials (12) bildet.
Werkzeug (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenliner ein flexibler Innenliner ist, der bei Erzeugung eines Innendrucks in einem Hohlraum (15) des Formkerns (11) während des Infundierens des Außenliners in das Fasermaterial (12) expandiert.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des die Formkernoberfläche (13) bildenden infundierbaren Matrixmaterials variiert,
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das die Formkernoberfläche (13) bildende infundierbare Matrixmaterial wenigstens zwei verschiedenen Materialien aufweist, die sich hinsichtlich einer Materialeigenschaft unterscheiden.