DE202010001836U1

DE202010001836U1 - Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils mittels Vakuum-Infusion sowie Absaugleitung

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Publication number: DE202010001836U1
Application number: DE201020001836
Authority: DE
Original assignee: DD-COMPOUND UG (HAFTUNGSBESCHRAENKT); DD COMPOUND UG HAFTUNGSBESCHRAENKT; Dd-Compound Ug (haftungsbeschrankt) 49477
Current assignee: Dd-Compound De GmbH
Priority date: 2010-02-02
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2020-02-03

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils mittels Vakuuminfusion, mit einem luftdicht verschließbaren Tränkungswerkzeug (2), das einen befüllbaren Innenraum (4) aufweist, in den ein Fasermaterial (6) einlegbar und in den ein fliessfähiges Matrixmaterial (14) über eine im Innenraum (4) mündende Zuführleitung zuführbar ist, sowie einer Absaugleitung (8) zur Herstellung eines Unterdrucks im Innenraum (4) des Tränkungswerkzeugs (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (8) zumindest teilweise innerhalb des Innenraums (4) verlegt und zumindest teilweise oder vollständig mit einer gasdurchlässigen, aber das Matrixmaterial (14) sperrenden Membran (22) umhüllt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 13 sowie auf eine Absaugleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Zur Herstellung von Faserverbund-Bauteilen ist es erforderlich, das Fasermaterial wie beispielsweise ein Glas- oder Karbonfasermaterial mit einem Matrixmaterial wie beispielsweise Kunstharzen oder Thermoplasten zu tränken und diese Materialmischung sodann in einer Form aushärten zu lassen. Hierfür sind verschiedene Verfahren bekannt. Neben dem Handlegeverfahren und dem Handauflegen mit anschließendem Vakuumpressen existieren noch die Prepreg-Technologie und die Vakuum-Infusion.
Bei der Vakuum-Infusion wird das Fasermaterial in eine mit Trennmittel beschichtete Form eingelegt. Darüber werden ein Trenngewebe und ein Verteilermedium gelegt, dass das gleichmäßige Fließen des Matrixmaterials erleichtern soll. Die Folie wird gegen die Form luftdicht abgedichtet, anschließend wird der Innenraum zwischen der Form und der Folie mit einer Vakuumpumpe über eine Absaugleitung evakuiert. Der Luftdruck presst die eingelegten Teile zusammen und fixiert sie. Anschließend wird das Matrixmaterial über eine Zuführleitung in den Innenraum eingeleitet. Durch das angelegte Vakuum wird das Matrixmaterial in das Fasermaterial gesaugt. Nachdem die Fasern ausreichend mit Matrixmaterial getränkt sind, wird die Einleitung des Matrixmaterials gestoppt und das Faserverbundbauteil kann aushärten, um es danach zu entformen. Mit diesem Verfahren ist es möglich, das Fasermaterial nahezu blasenfrei zu tränken, was eine hohe Qualität des fertigen Bauteils bedeutet.
Die Vakuum-Infusion kann über verschiedene Verfahren realisiert werden.
Nach dem RI-Verfahren wird die Luft im durch eine Folie verschlossenen Innenraum des Werkzeugs über eine aus einem Spiralschlauch bestehende Ringleitung abgesaugt. Dabei kann eine durchsichtige Folie verwendet werden, durch die die spätere Befüllung des Werkzeugs mit dem Matrixmaterial und der Verteilungsprozess beobachtet werden kann. Um nicht das Matrixmaterial mit abzusaugen, wird die Ringleitung in einem größeren Abstand zum Bauteil positioniert, und im Zwischenraum wird Abreißgewebe als Harzbremse angeordnet. Dadurch vergrößern sich die Abmessungen des Werkzeugs. Die Positionen der Punkte zur Einleitung des Matrixmaterials in den Innenraum müssen sorgfältig gewählt werden, um das Matrixmaterial gleichmäßig zu verteilen und die Absaugung größerer Mengen des Matrixmaterials über die Absaugleitung zu vermeiden. Um einen übermäßigen Verlust von Matrixmaterial zu vermeiden, werden auch Harzfallen in die Vorrichtung eingebaut, in denen der Harzfluss vor Erreichen der Absaugleitung gestoppt wird. Ein Beispiel für das RI-Verfahren findet sich beispielsweise in der Schrift DE 10 2005 011 977 A1 .
Beim VAP-Verfahren wird eine Membran über die Vorrichtung gelegt und sodann über der Membran mit einem Absaugvlies und einer Vakuumfolie eine zweite Kammer gebildet. Die verwendete Membran weist die Besonderheit auf, dass sie für Gas durchlässig ist, nicht jedoch für die zu langen Molekülketten des Matrixmaterials. Dadurch ist es möglich, über die Membran den darunter befindlichen Innenraum zu evakuieren. Sodann wird in den Innenraum Matrixmaterial eingeleitet. Dieses kann trotz der Saugwirkung aus der Absaugleitung nicht in die zweite Kammer und die Absaugleitung eindringen, da der Übergang des Matrixmaterials von der Membran blockiert wird. Dadurch wird das Matrixmaterial gezwungen, sich gleichmäßig im Innenraum des Werkzeugs zu verteilen, da durch die Teile der Membran, die noch nicht vom Matrixmaterial erreicht wurden, noch immer der Sog aus der Absaugleitung wirkt. Nachteilig ist jedoch, dass die Verteilung nicht beobachtet werden kann, da das verwendete Membranmaterial nicht durchsichtig ist. Die Menge des zugeführten Matrixmaterials muss deshalb genau berechnet werden, was bei Einzelstücken und Kleinserienteilen jedoch aufwendig ist. Durch Schwankungen bei Zuschnitten und Überlappungen kann die benötigte Menge an Matrixmaterial schwanken, was zu Beeinträchtigungen der Qualität des fertigen Bauteils führen kann. Für die vollflächige Abdeckung des Werkzeugs wird viel Membranmaterial verbraucht. Das VAP-Verfahren wird beispielsweise in der Schrift DE 102 03 976 A1 oder EP 1 859 920 B1 beschrieben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lösung für die Vorrichtung, das Verfahren und eine Absaugleitung zu finden, bei der die Vorteile des RI-Verfahrens mit denen des VAP-Verfahrens miteinander kombiniert und die jeweiligen Nachteile der Verfahren möglichst vermieden werden.
Die Aufgabe wird für eine gattungsgemäße Vorrichtung gelöst, indem die Absaugleitung zumindest teilweise innerhalb des Innenraums verlegt und zumindest teilweise oder vollständig mit einer gasdurchlässigen, aber das Matrixmaterial sperrenden Membran umhüllt ist.
Die Aufgabe wird für eine gattungsgemäße Absaugleitung gelöst, indem die Absaugleitung zumindest teilweise oder vollständig mit einer gasdurchlässigen, aber das Matrixmaterial sperrenden Membran umhüllt ist. Durch eine vollständige oder auch nur teilweise Umhüllung mit einer das Matrixmaterial sperrenden Membran kann gezielt auf den Verlaufsprozess des Matrixmaterials im Tränkungswerkzeug Einfluss genommen werden.
Die Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, indem die Absaugleitung zumindest teilweise innerhalb des Innenraums des Tränkungswerkzeugs verlegt wird und dabei eine Absaugleitung verwendet wird, die zumindest teilweise oder vollständig mit einer gasdurchlässigen, aber das Matrixmaterial sperrenden Membran umhüllt ist.
Durch die Kombination der zumindest teilweise im Innenraum verlegten Absaugleitung mit einer gasdurchlässigen, aber das Matrixmaterial sperrenden Membran kann auf die großflächige Verlegung der Membran verzichtet werden. Es genügt, die Absaugleitung im Innenraum des Tränkungswerkzeugs zu verlegen. Durch ein an die Absaugleitung angelegtes Vakuum wird ein in den Innenraum eingeleitetes Matrixmaterial auf die Absaugleitung zu gesaugt. Wenn das Matrixmaterial die Ansaugleitung erreicht, legt es sich um die mit der Membran abgedeckte Absaugleitung, kann jedoch in diese nicht eintreten, weil es von der Membran zurück gehalten wird. Verluste von in die Absaugleitung eingesaugtem Matrixmaterial werden so sicher ausgeschlossen. Durch die noch nicht vom Matrixmaterial umschlossenen Abschnitte der Absaugleitung, die mit der Membran umgeben ist, kann aber noch weiter Gas abgesaugt werden. Dadurch wird Matrixmaterial automatisch auch in die Bereiche des Innenraums gesaugt, in die es bisher noch nicht vorgedrungen ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Absaugleitung ermöglicht also eine fortschreitende, den gesamten Innenraum erfassende sehr gute Gasabsaugung aus dem Innenraum.
Um Gas aus dem Innenraum absaugen zu können, muss die Absaugleitung in den im Innenraum verlegten Abschnitten über Öffnungen in ihrer Außenwandung, die unter der Membran liegt, verfügen, durch die im Innenraum des Tränkungswerkzeugs befindliches Gas in die Absaugleitung geführt und von dort abgefordert werden kann. Die Öffnungen können beispielsweise in Gestaltung von Löchern oder Schlitzen oder sonstigen Perforierungen ausgestaltet sein. Die Öffnungen müssen in ausreichender Anzahl in genügenden Abständen zueinander in der Absaugleitung vorgesehen sein. Die Öffnungen können gleichmäßig oder ungleichmäßig über die Länge der Absaugleitung verteilt sein.
Die Positionierung der Absaugleitung im Innenraum im Verhältnis zu den Einleitungspunkten muss nicht allzu genau berechnet werden, da das Matrixmaterial jeweils durch die Membran gestoppt wird und die Gasabsaugung über die verbleibende, noch nicht vom Matrixmaterial abgedeckte Oberfläche der Membran auf eine gewisse Art nachgesteuert wird. Das Fasermaterial kann auf diese Weise vollständig getränkt werden, ohne dabei Matrixmaterial unplanmäßig abzusaugen oder das Bauteil teilweise nicht zu tränken.
Da die das Matrixmaterial sperrende Membran nur die Absaugleitung umhüllt, kann der Innenraum weiterhin mit einer durchsichtigen Folie abgedeckt werden, die eine optische Kontrolle des Füllverlaufs des Innenraums des Tränkungswerkzeugs ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren, die Vorrichtung und die Absaugleitung ist insbesondere für die Herstellung von Einzelstücken oder Kleinserien geeignet, da vor der Herstellung des Bauteils weniger Planungsaufwand betrieben werden muss, um die richtigen Einleitungspunkte, die richtige Menge an Matrixmaterial, die Fördergeschwindigkeiten und den Verlauf der Absaugleitung zu bestimmen. Die Erfindung kann aber auch genutzt werden, um bei großen Bauteilen, die nach dem RI- oder VAP-Verfahren hergestellt werden, durch die erfindungsgemäß gestaltete Absaugleitung eine schnellere Evakuierung des Innenraums zu ermöglichen und die Gefahr von Dry Spots zu vermeiden, indem zusätzliche Absaugleitungen auf dem Bauteil positioniert werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Absaugleitung als Ringleitung im Innenraum verlegt. Durch eine Ringleitung ist es möglich, die Absaugwirkung der Absaugleitung auf eine gleichmäßige Art über die Fläche des Werkzeugs verteilt im Innenraum wirksam werden zu lassen. Die Ringleitung kann natürlich auch in Schleifen oder in einer sonstigen Anordnung in einer für das jeweilige Werkzeug günstigen Weise verlegt sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Absaugleitung zumindest abschnittweise einen Schlauch, insbesondere einen Spiralschlauch auf. Ein Spiralschlauch verfügt durch den wendelförmig verlaufenden Schnitt über gleichmäßig über die Länge des Schlauches verteilte Öffnungen, durch die ein Gas in den Innenraum des Schlauches hindurch treten kann. Um eine gute Gasführung an der Oberfläche des Spiralschlauches entlang zu ermöglichen, kann in die Oberfläche eine insbesondere wendelförmig verlaufende Vertiefung, eine Erhebung oder eine Kombination aus beidem vorgesehen sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Absaugleitung und der Membran ein Abstandhalter angeordnet. Der Abstandhalter soll verhindern, dass sich die Membran direkt auf die Absaugleitung auflegt und so die Öffnungen abdeckt, durch die Gas in die Absaugleitung eintreten kann. Der Abstandhalter soll ebenfalls verhindern, dass die Membran durch den herrschenden atmosphärischen Druck beschädigt werden könnte. Der Abstandhalter sichert den Gasfluss im Zwischenraum zwischen der Innenoberfläche der Membran und der Außenoberfläche der Absaugleitung. Hierdurch wird eine schnelle Evakuierung des Innenraums unterstützt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Abstandhalter ein Vlies oder ein Gewebe verwendet. Vliese oder Gewebe sind kostengünstig verfügbar, sind leicht verarbeitbar und verfügen über eine ausreichende Gasdurchlässigkeit auch in der Ebene ihrer Lage. Sie Puffern mechanische Kräfte zwischen der Absaugleitung und der Membran ausreichend ab, um zu vermeiden, dass die Membran beschädigt wird oder sich direkt auf die Außenoberfläche der Absaugleitung legt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Absaugleitung aus einem flexiblen Material hergestellt. Durch den Einsatz eines flexiblen Materials ist die Absaugleitung leichter im Werkzeug verlegbar.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Innenraum von einer durchsichtigen Folie abgedeckt. Durch die durchsichtige Folie kann der Füllungsfortschritt des Matrixmaterials im Innenraum gut beobachtet werden. Es ist dann leicht möglich, die Menge des zugeförderten Matrixmaterials an den tatsächlichen Bedarf anzupassen und/oder die Fördergeschwindigkeit zu beeinflussen.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen jeweils für sich mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, aber auch in beliebiger Kombination untereinander miteinander kombinierbar sind.
Weitere Abwandlungen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden gegenständlichen Beschreibung und den Zeichnungen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1: ein Tränkungswerkzeug aus einer Ansicht von oben,
2: eine Querschnittsansicht durch eine Absaugleitung, und
3: eine Längsschnittansicht durch eine Absaugleitung,
In 1 ist ein Tränkungswerkzeug 2 aus einer Ansicht von oben gezeigt. Im Innenraum 4 ist ein Fasermaterial 6 ausgelegt. Die Absaugleitung 8 ist um das Fasermaterial herum gelegt. Mit einer Vakuumpumpe 10 wird in der Absaugleitung 8 ein Unterdruck erzeugt und das im Innenraum 4 vorhandene Gas abgesaugt. Wenn durch einen Einleitungspunkt 12 ein Matrixmaterial 14 in den Innenraum 4 eingeleitet wird, bewegt sich dieses auf die benachbarte Absaugleitung 8 zu, da es von dem Unterdruck in der Ansaugleitung 8 angesaugt wird.
In 1 ist eine Matrixmaterial-Fließfront 16 gezeigt, durch der Fließverlauf in einem beispielhaften Werkzeug gezeigt werden soll. Das aus dem Einleitungspunkt 14 austretende Matrixmaterial hat sich zunächst auf die am nächsten liegenden Abschnitte der Absaugleitung 8 zu bewegt. In den Bereichen, in denen die Matrixmaterial-Fließfront 16 die Absaugleitung 8 erreicht hat, wird das Matrixmaterial 14 gestoppt, da es nicht durch die Membran 22 hindurch treten kann, aber dort auch die Öffnungen in der Membran bedeckt, durch die dann nur noch eine allenfalls verringerte Menge an Gas strömen könnte. Das von der Vakuumpumpe 10 durch die Absaugleitung 8 angesaugte Gas wird nun nur noch durch die Membran 22 in anderen Abschnitten der Absaugleitung 8 angesaugt, an denen noch kein Matrixmaterial 14 ansteht. Infolge des dort wirkenden Unterdrucks wird das weiter nachfliessende Matrixmaterial 14 in diese Bereiche des Tränkungswerkzeugs 2 gesaugt, wo es weitere Bereiche des Fasermaterials 6 tränkt. Auf diese Weise bewegt sich die Matrixmaterial-Fließfront 16 durch die günstige Anordnung der Absaugleitung 8 über das gesamte Fasermaterial 6 hinweg, bis dieses ohne verbleibende Dry Spots vollständig getränkt ist. So kann durch die besondere Gestaltung der Absaugleitung 8 die Bauteilqualität erhöht und der Planungs- und Bauaufwand des Werkzeugs verringert werden.
Im Ausführungsbeispiel ist die Absaugleitung 8 als eine Ringleitung dargestellt, die Absaugleitung 8 kann aber auch abweichend davon als ein Strang gestaltet und verlegt sein, dessen von der Vakuumpumpe entferntes Ende frei ausläuft. Ein einzelner Strang kann sich auch in mehrere Stränge verzweigen.
In 2 ist eine Querschnittsansicht durch eine Absaugleitung 8 gezeigt. In der Querschnittsansicht ist gut erkennbar, dass die Absaugleitung einen inneren Rohrkörper aufweist, der im Ausführungsbeispiel aus einem Spiralschlauch 18 gebildet ist. Der Innenraum des Spiralschlauchs 18 kann dazu genutzt werden, um aus dem Innenraum angesaugtes Gas der Vakuumpumpe 10 zuzuführen. Außen ist der Spiralschlauch 18 von der Membran 22 umhüllt, die gasdurchlässig ist, aber Matrixmaterial 14 sperrt. Im Zwischenraum 24 zwischen der Außenoberfläche des Spiralschlauchs 18 und der Innenoberfläche der Membran 22 befindet sich eine Lage eines Vlieses 20, durch das die Außenoberfläche des Spiralschlauchs 18 und die Innenoberfläche der Membran 22 voneinander beabstandet gehalten werden. Gas, das durch die Membran 22 in den Zwischenraum 24 gelangt ist, kann dort frei strömen und so durch Öffnungen in den Innenraum des Spiralschlauches 18 gelangen, da die Membran 22 nicht auf der Außenoberfläche des Spiralschlauchs 18 anhaften kann.
In 3 ist eine Längsschnittansicht durch eine Absaugleitung 8 gezeigt. Anhand der Pfeile ist erkennbar, dass das im Innenraum 4 des Tränkungswerkzeugs 2 befindliche Gas durch die Membran 22 in den Innenraum des Spiralschlauchs 18 gelangen kann, das Matrixmaterial 14 jedoch von der Membran 22 blockiert wird.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das nur beispielhaft der Beschreibung der Erfindung dient. Dem Fachmann bereitet es keine Schwierigkeiten, das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel auf eine ihm als geeignet erscheinende Weise an einen konkreten Anwendungsfall durch entsprechende Veränderungen anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005011977 A1 [0005]
DE 10203976 A1 [0006]
EP 1859920 B1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils mittels Vakuuminfusion, mit einem luftdicht verschließbaren Tränkungswerkzeug (2), das einen befüllbaren Innenraum (4) aufweist, in den ein Fasermaterial (6) einlegbar und in den ein fliessfähiges Matrixmaterial (14) über eine im Innenraum (4) mündende Zuführleitung zuführbar ist, sowie einer Absaugleitung (8) zur Herstellung eines Unterdrucks im Innenraum (4) des Tränkungswerkzeugs (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (8) zumindest teilweise innerhalb des Innenraums (4) verlegt und zumindest teilweise oder vollständig mit einer gasdurchlässigen, aber das Matrixmaterial (14) sperrenden Membran (22) umhüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (8) als Ringleitung im Innenraum (4) verlegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (8) zumindest abschnittweise einen Spiralschlauch (18) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Absaugleitung (8) und der Membran (22) ein Abstandhalter angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandhalter ein Vlies (20) oder ein Gewebe verwendet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (8) aus einem flexiblen Material hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (4) von einer durchsichtigen Folie abgedeckt ist.
Absaugleitung (8) zur Absaugung eines Gases aus einem geschlossen Raum, der mittels einer Vakuum-Infusion mit einem Matrixmaterial (14) befüllbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (8) zumindest teilweise oder vollständig mit einer gasdurchlässigen, aber das Matrixmaterial (14) sperrenden Membran (22) umhüllt ist.
Absaugleitung (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (8) zumindest abschnittweise einen Spiralschlauch (18) aufweist.
Absaugleitung (8) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Absaugleitung (8) und der Membran (22) ein Abstandhalter angeordnet ist.
Absaugleitung (8) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstandhalter ein Vlies (20) oder ein Gewebe verwendet ist.
Absaugleitung (8) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugleitung (8) aus einem flexiblen Material hergestellt ist.