DE19702933C2

DE19702933C2 - Formwerkzeug

Info

Publication number: DE19702933C2
Application number: DE19702933A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Neil Kendall; Alan Robert Harrison
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2017-01-29
Also published as: DE19702933A1; CA2197507A1; GB2310162A; GB2310162B; US5653907A; GB9623493D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zum Einsatz bei einem Harz-Fließformverfahren (resin transfer molding, RTM), insbe sondere ein Leichtgewicht-Formwerkzeug mit gutem thermischem Ansprechverhalten.

Üblicherweise wird bei Harz-Fließformverfahren zunächst mit einem Katalysator versehenes Harz in ein geschlossenes Form werkzeug eingespritzt. Nach dem Füllen des Formwerkzeugs wird das Harz vernetzt und das fertige Werkstück entnommen. Um die strukturelle Integrität des Werkstücks zu erhöhen, kann das Harz auch zunächst in einen trockenen, vorher in das Formwerkzeug eingebrachten Faservorformling eingespritzt wer den.

Um die Gesamtzykluszeit durch Verkürzung der Füll- und Ver netzungszeiten zu reduzieren und somit ein hohes Produktionsvo lumen zu erreichen, wird üblicherweise ein beheiztes Form werkzeug benutzt. Die bekannten Formwerkzeugschalen weisen aufgrund ihrer großen thermischen Massen schlechte thermische Übertragungscharakteristiken auf, was einen Betrieb der be kannten Formwerkzeuge mit hohen Prozeßtemperaturen unmöglich macht und eine effektive Wärmedissipation erschwert.

Die Wärmedissipation des Formwerkzeugs ist wichtig, weil durch das in dem Formwerkzeug befindliche Harz während des Vernetzungsvorganges eine beträchtliche Wärmemenge abge geben wird (diese Art der Wärmeabgabe wird im folgenden als "exotherm" bezeichnet). Im Falle einer zu starken exothermen Wärmeabgabe kann das Harz aufgrund starker Schrumpfungen bre chen, oder es können andere Materialdefekte wie Oberflächen fehler, Verfärbungen oder unzureichende Maßgenauigkeiten auftreten. Um solche Probleme zu vermeiden, muß die übliche Prozeßtemperatur des Formwerkzeuges niedrig gehalten werden, falls eine große exotherme Wärmemenge entsteht. Eine der Auf gaben der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Bearbei tung des Harzes in dem Formwerkzeug bei höheren Temperaturen zu ermöglichen und eine Möglichkeit zur Abführung der exo thermen Wärme bereitzustellen, um eine Beschädigung des Harzes bei Durchführung des Formprozesses bei höheren Tempe raturen zu vermeiden. Die bekannten RTM-Formwerkzeugschalen bilden massive, schwere Teile mit einer ebenfalls schweren Trägerstruktur aus Beton od. dgl.. Die bekannten Formwerk zeuge weisen nicht die erforderliche thermische Über tragungsfähigkeit auf, um eine Abführung der exothermen wärme bei höheren Prozeßtemperaturen zu gewährleisten.

Mit einem Formwerkzeug mit besserem thermischen Übertragungs faktor ist nicht nur der Einsatz bei höheren Verfahrenstem peraturen möglich, sondern auch der Einsatz hochreaktiver Harze, so daß eine bessere Vernetzung innerhalb des Form werkzeuges, eine höhere Maßgenauigkeit, kürzere Zykluszeiten und ein selteneres Auftreten von Werkstückmängeln aufgrund von Harzrissen infolge starken Schrumpfungen, Oberflä chenfehlern oder Entfärbungen erzielt werden können.

Aus der US 5169549 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von Körpern aus Kunststoff bekannt, die eine Form aufweist, die wenigstens einen Hohlraum begrenzt, dessen innere Kontur der äußeren Kontur des Körpers entspricht. Bei der bekannten Vorrichtung besteht der innere Bereich aus Nickel, einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, während der äußere Bereich aus Zement oder Epoxidharz mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht. Um bei der bekannten Vorrichtung die erforderliche mechanische Stabilität zu erreichen, sind wiederum große Massen erforderlich, die die bekannte Vorrichtung schwer und unhandlich machen.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe und zur Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik wird eine RTM-Formwerkzeug schale mit einer Hohl-Stützstruktur mit einer Vielzahl von sich kreuzenden, erhaben ausgebildeten Stützrippen vor geschlagen. Die Stützrippen tragen ein Trägermaterial, wel ches wiederum eine dünnwandige und harte Formwerkzeugschale mit gutem thermischem Übertragungsfaktor trägt. Die Schale weist eine geringe thermische Masse auf, wodurch der thermi sche Übertragungsfaktor verbessert wird und somit das Verfah ren bei höheren Temperaturen durchgeführt werden kann. Das Trägermaterial kann als Wärmesenke wirken und somit die ins besondere durch die exotherme Reaktion auf die Schale über tragene Wärme aufnehmen. Dadurch werden verkürzte Zykluszei ten, eine bessere Vernetzung im Formwerkzeug und geringe re Werkstückdefektraten erreicht.

Die Erfindung umfaßt vorzugsweise ein Formwerkzeug zur Ver wendung in einem Harz-Fließformverfahren mit einem ersten und einem zweiten Stützrahmen, welches eine Vielzahl von erhaben ausgebildeten und sich kreuzenden Stützrippen und ein erstes und ein zweites von dem jeweiligen ersten und zweiten Stütz rahmen unterstütztes Trägermaterial aufweist. Die Trägermate rialien sind weiterhin mit sich durch diese erstreckenden Heizrohren versehen. Die ersten und zweiten Trägermaterialien tragen jeweils erste und zweite Hartschalen, welche gemeinsam einen Formwerkzeughohlraum bilden und jeweils eine Material stärke von weniger als etwa 10 mm aufweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Formwerkzeug zur Verwendung bei einem Harz- Fließformverfahren mit einem ersten und einem zweiten im we sentlichen hohl ausgebildeten Stützrahmen vorgesehen. Die Stützrahmen weisen eine Vielzahl von erhaben ausgebildeten und sich kreuzenden Stützrippen auf. Die Stützrippen haben eine Höhe, die wesentlich größer als deren Breite ist. Der erste und der zweite Stützrahmen tragen jeweils ein erstes bzw. zweites Trägermaterial. Das erste bzw. das zweite Trägermaterial trägt eine erste bzw. zweite Nickelschale, welche gemeinsam einen Formwerkzeughohlraum ausbilden.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine RTM-Formwerkzeug schale geschaffen, die leichtgewichtig ist und einen guten thermischen Übertragungsfaktor aufweist, so daß höhere Pro zeßtemperaturen und die Verwendung hochreaktiver Harze mög lich sind, wodurch eine stärkere Vernetzung in dem Form werkzeug erreicht und das Auftrten von Werkstückdefekten ver ringert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei spielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen RTM-Formwerkzeugschale;

Fig. 2 eine schematische Teilansicht einer erfindungsgemäßen Formwerkzeughälfte, teilweise in Schnittdarstellung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Stützrahmen zum Einsatz an einer erfindungsgemäßen RTM-Formwerkzeugschale;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine RTM-Formwerkzeugschale gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine vertikale seitliche Schnittdarstellung der RTM- Formwerkzeugschale gem. Fig. 1;

Fig. 6a ein Zeit/Temperaturprofil einer RTM-Formwerkzeug schale gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 6b ein Zeit/Temperaturprofil einer RTM-Formwerkzeug schale gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße RTM-Formwerkzeug schale 10 zum Einsatz bei einem Harz-Fließformverfahren dargestellt. Das Formwerkzeug 10 weist erste und zweite Formwerkzeughälften 12, 14 auf. Die ersten und zweiten Form werkzeughälften 12, 14 haben jeweils Stützrahmen 16, 18, welche jeweils Formwerkzeuggrundplatten 20, 22 und Stützflan sche 24, 26 aufweisen.

Durch die Stützrahmen 16, 18 sind jeweils Trägermaterialien 28, 30 unterstützt. Die Trägermaterialien 28, 30 weisen Heiz flüssigkeitsrohre 32 auf, mittels derer Schalen 34, 36 be heizt werden.

Die Stützrahmen 16, 18 sind jeweils mit einer Vielzahl von erhaben ausgebildeten, sich kreuzenden Stützrippen 38 verse hen. Die Stützrippen 38 sind vorzugsweise aus einem leichtge wichtigen, verwindungssteifen Material, wie z. B. Aluminium, hergestellt. Die Trägermaterialien 28, 30 bestehen vorzugs weise aus einem Werkstoff mit großem Temperaturkoeffizienten, der in eine Polymermatrix eingeschlossen ist. Durch Verwen dung eines Werkstoffs mit großem Temperaturkoeffizienten wird ein ausreichender Temperaturübertragungsfaktor des Formwerk zeuges gewährleistet. Die Dicke der Trägermaterialien 28, 30 liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 25 mm.

Die von den ersten und zweiten Trägermaterialien 28, 32 un terstützten Hartschalen 34, 36 bestehen vorzugsweise aus ei nem Nickel-, Nickel-Kupfer- oder Nickel-Kobalt-Werkstoff mit einer Stärke von etwa 5 mm. Zwischen den Hartschalen 34, 36 ist ein Formwerkzeughohlraum 33 ausgebildet.

Die verschiedenen Einzelteile des Formwerkzeuges können mit tels Bolzen, Nägeln, Stiftschrauben oder auf andere Weise miteinander verbunden werden. In einer bevorzugten Ausfüh rungsform werden Schalen 34, 36 aus Nickel jeweils mit Bolzen 40, 42 mit den entsprechenden Stützflanschen 24, 26 verbun den, wodurch die beiden Formwerkzeughälften 12, 14 zusammen gehalten werden. Ein weiteres Merkmal dieser Ausführungsform ist, daß die Trägermaterialien 28, 30 zwischen den jeweiligen Schalen 34, 36 und den Stützrahmen 16, 18 sandwichartig ange ordnet sind. Weiterhin sind Verstärkungsbänder 44 vorgesehen, durch die die Schalen 34, 36 an dem jeweiligen Stützrahmen 16, 18 gesichert werden, wie in Fig. 4 jeweils gestrichelt dargestellt.

Gemäß Fig. 3 weist der Stützrahmen 16 an den Außenseiten einen Stützflansch 24 sowie mehrere Führungsstiftösen 46, 48, 50 zur Ausrichtung der beiden Formwerkzeughälften ge geneinander auf. Die erhaben ausgebildeten, sich kreuzenden Stützrippen 38 bilden eine Vielzahl von zwischen diesen lie genden Hohltaschen. Der Abstand der Rippen 38 wird durch eine Analyse mittels der Methode der finiten Elemente so festge legt, daß die Durchbiegung der Schalen im Mittenbereich der Hohltaschen minimiert wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Stützrahmenkonfiguration un terscheidet sich von den gemäß dem Stand der Technik bekann ten glasfaserverstärkten Epoxyd-Formwerkzeugen oder Zement- Formwerkzeugen, die wesentlich schwerer als der erfindungsge mäße Stützrahmen ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäße leichtgewichtige Konstruktion kann der Aufwand für die zum Umgang mit den Formteilwerkzeugen benötigte Ausstattung redu ziert werden. Weiterhin können sehr große Formteilwerkzeuge hergestellt werden, die mit traditionellen Methoden nur schwierig herzustellen und zu transportieren wären. Ein wei terer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Schalen 34, 36 des Formteilwerkzeuges ausgetauscht und schnell und genau ausgerichtet werden können, wodurch erheblich geringere Kosten als bei dem gemäß dem Stande der Technik üblichen Werkzeugwechsel entstehen.

Da das Formwerkzeug eine nur geringe thermische Masse auf weist, kann die Temperatur der Formteiloberfläche sehr genau geregelt werden, so daß nur geringe Temperaturvariationen über die Oberfläche auftreten. Infolge dieser Eigenschaft kann auch ein Zonenheizverfahren sehr effektiv eingesetzt werden. Damit kann ein schnelles Aufheizen erfolgen, wodurch einem Schrumpfen des Harzes während der Injektionsphase ent gegengewirkt werden kann. Durch den guten thermischen Über tragungsfaktor des Formwerkzeuges kann die Vernetzung des Harzes nahezu isotherm stattfinden, was höhere Verarbeitungs temperaturen sowie den Einsatz von hochreaktiven Harzen und somit eine bessere Vulkanisation innerhalb des Formwerkzeugs ermöglicht und außerdem zu geringeren Komponentendefektraten führt.

Die Verwendung dünnwandiger Nickelschalen 34, 36 führt zu Formwerkzeugoberflächen hoher Qualität, hoher Auflösung und geringer Verschleißanfälligkeit. Die für den Formprozeß auf zubringenden Betriebslasten werden über die Stützrahmen 16, 18 übertragen.

Die Verwendung dünnwandiger Schalen 34, 36 bietet auch erheb liche Vorteile in thermischer Hinsicht. Die in die sehr gut wärmeleitfähigen Trägermaterialien 28, 30 mittels eines Gieß verfahrens eingebrachten Heizflüssigkeitsrohre haben engen Kontakt mit der jeweiligen Schale 34, 36 und ermöglichen so eine Beheizung bzw. Kühlung der jeweiligen Schalen. Dadurch, daß die Schalen 34, 36 eine nur geringe thermische Masse auf weisen, sprechen diese schnell auf Heizvorgänge an, wodurch eine außerordentlich gute Steuerungsmöglichkeit der Tempera tur der Formwerkzeugoberfläche und die Fähigkeit, einem Schrumpfen des Formwerkzeugs aufgrund des Einspritzens von kälterem Harz entgegenzuwirken, erreicht wird. Durch den ho hen Temperaturleitkoeffizienten des Formwerkzeuges wird ein guter Wärmetransfer während des Vulkanisiervorgangs des Har zes ermöglicht, so daß nur eine sehr geringe Selbsterwärmung des Harzes während des Vulkanisiervorganges auftritt.

In Fig. 6a und 6b ist ein Vergleich zwischen den Temperatur eigenschaften von Formwerkzeugen nach dem Stand der Technik und Formwerkzeugen gemäß der vorliegenden Erfindung darge stellt. Die unterschiedlichen in den Fig. 6a und 6b dar gestellten Graphen stellen Temperaturkurven dar, die an ver schiedenen Stellen in Bezug auf die Formwerkzeughohlraumober fläche gemessen wurden. Positive Zahlen bedeuten Meßpunkte innerhalb des Formwerkzeughohlraums; negative Zahlen bezeich nen Meßpunkte innerhalb der Schalen. Gemäß Fig. 6a sind die Temperaturen infolge der exothermen Reaktion während des Vernetzungsvorgangs erheblich höher als die Temperaturen der Formteiloberflächen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nickelschalen und Trägermaterialien führen zu Wärmesenken, mittels derer die exotherme Wärme schnell aus dem Harz abge führt werden kann, so daß der Vernetzungsvorgang im wesentli chen isotherm erfolgt. Dementsprechend können die Prozeß grundtemperaturen erhöht werden, wie in Fig. 6b dargestellt, was zu einer Verbesserung der Verfahrenscharakteristiken führt.

Infolge des hohen thermischen Übertragungsfaktors des erfin dungsgemäßen Formwerkzeuges können somit Harzprodukte bei hö heren Prozeßtemperaturen gefertigt werden. Gleichzeitig kann das Verfahren aufgrund der Vermeidung einer nennenswerten Selbsterhitzung in der Vernetzungsphase besser kontrol liert werden, wodurch Werkstückdefekte, die durch zu hohe Temperaturen verursacht werden, vermieden werden. Aufgrund der Temperaturregelung ist es möglich, daß sich die Tempera tur des Formwerkzeuges bei der Injektion des Harzes und beim Vernetzen in nur geringem Maße verändert, was im Hinblick auf die Kontrolle des Formprozesses vorteilhaft ist. Ein wei terer Vorteil der geringen thermischen Masse des Form werkzeuges liegt darin, daß dadurch die Gewinnung von Prozeß daten über den Formvorgang erleichtert wird, weil das Tempe raturverhalten innerhalb des Formwerkzeughohlraums außerhalb des Werkzeughohlraums gemessen und somit auf intrusive Tempe raturmeßverfahren verzichtet werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf grund der verbesserten Wärmedissipation durch die Schale und das Trägermaterial schnellere Katalysatoren zur Verstärkung des Vernetzungsvorganges des Harzes eingesetzt werden können, wodurch die Zykluszeiten verringert werden können. Ein weite rer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Schalen von dem Stützrahmen gelöst werden und somit im Falle von Beschä digungen in einfacher Weise ausgetauscht werden können.

Claims

1. Formwerkzeug zur Verwendung bei einem Harz-Fließformver fahren, mit
einem ersten und einem zweiten Stützrahmen (16, 18) mit einer Vielzahl von erhaben ausgebildeten, sich kreuzenden Stützrippen (38),
ersten und zweiten jeweils von den ersten und zweiten Stützrahmen (16, 18) gehaltenen Trägermaterialien (28, 30) mit durch diese verlaufenden Heizflüssigkeitsrohren (32), und
ersten und zweiten jeweils von den ersten und zweiten Trägermaterialien (28, 30) gehaltenen Schalen (34, 36), wobei die erste und zweite Schale derartig zusammen wirken, daß ein Formwerkzeughohlraum zwischen diesen ge bildet ist, wobei die Schalen als Hartschalen mit einer Wandstärke von weniger als 10 mm ausgebildet sind.

2. Formwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartschalen zumindest teilweise aus Nickel herge stellt sind.

3. Formwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Trägermaterialien (28, 30) zumindestens teilweise aus einem Material mit hohem Temperaturkoeffi zienten bestehen.

4. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien (28, 30) aus einem mit Kupfer durchsetzten Epoxydmaterial bestehen.

5. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (28, 30) eine Dicke von weniger als 25 mm aufweist.

6. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Stützrahmen (16, 18) zumindest teilweise aus Aluminium hergestellt sind.

7. Formwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Stützrahmen (16, 18) entlang ihres Umfangs jeweils einen Flansch (24, 26) aufweisen, der mittels einer Bolzenverbindung an der jeweiligen Schale (34, 36) befestigt ist.

8. Formwerkzeug zur Verwendung bei einem Harz-Fließformver fahren, mit
einem ersten und einem zweiten Stützrahmen (16, 18) mit einer Vielzahl von erhaben ausgebildeten, sich kreuzenden Stützrippen (38), deren Höhe jeweils wesentlich größer als deren Breite ist,
ersten und zweiten jeweils von den ersten und zweiten Stützrahmen (16, 18) gehaltenen Trägermaterialien (28, 30) mit durch diese verlaufenden Heizflüssigkeitsrohren (32), und
ersten und zweiten jeweils von den ersten und zweiten Trägermaterialien (28, 30) gehaltenen Nickelschalen (34, 36), wobei die erste und zweite Schale derart zusammen wirken, daß ein Formwerkzeughohlraum zwischen diesen ge bildet ist, wobei die Schalen jeweils eine Wandstärke von weniger als 10 mm aufweisen.

9. Formwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien (28, 30) jeweils aus einem mit Kup fer durchsetzten Epoxydmaterial mit einer Dicke von weni ger als 25 mm bestehen, und daß die Stützrahmen (16, 18) zumindest teilweise aus Aluminium bestehen.

10. Formwerkzeug zur Verwendung bei einem Harz-Fließformver fahren, mit
einem ersten und einem zweiten Stützrahmen (16, 18) mit einer Vielzahl von erhaben ausgebildeten, sich kreuzenden Stützrippen (38) aus Aluminium, deren Länge jeweils we sentlich größer als deren Breite ist, wobei die Stützrah men jeweils längs ihres Umfangs einen Flansch (24, 26) aufweisen,
ersten und zweiten jeweils von den ersten und zweiten Stützrahmen (16, 18) gehaltenen Trägermaterialien (28, 30) aus einem mit Kupfer durchsetzten Epoxydmaterial mit einer Dicke von weniger als 25 mm, und mit durch die Trä germaterialien verlaufenden Heizflüssigkeitsrohren (32), und
ersten und zweiten jeweils von den ersten und zweiten Trägermaterialien (28, 30) gehaltenen Nickelschalen (34, 36), wobei die erste und zweite Schale derartig zusammen wirken, daß ein Formwerkzeughohlraum zwischen diesen ge bildet ist, wobei die Schalen jeweils eine Wandstärke von weniger als 10 mm aufweisen und mittels einer Bolzenver bindung an dem jeweiligen Flansch (24, 26) des Stützrah mens (16, 18) befestigt sind.