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Formwerkzeug für ein Bauteil aus Faserverbundwerkstoff
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Formwerkzeug für ein unter Wärme-
und Druckeinwirkung aushärtendes Bauteil aus Faserverbundwerkstoff, mit mindestens
einem, insbesondere mehreren, beweglich miteinander verbundenen Werkzeugteilen zur
Begrenzung eines das Bauteil beim Aushärten aufnehmenden, beheizten, druckdicht
verschlossenen und unter äußerer Druckbeaufschlagung zusammengepreßten Formraums
mit zumindest einer Abzugs öffnung für die beim Aushärten des Faserverbundwerkstoffs
im Formraum freigesetzten, gasförmigen Einschlüsse.
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Bekannte Formwerkzeuge dieser Art, bei denen der Formraum zumeist
durch mehrere, formstabile, begrenzt verschieblich miteinander verbundene Werkzeugteile
gebildet wird und als Abzugsöffnung einen umlaufenden, zwischen den Werkzeugteilen
freigehaltenen, nach außen geöffneten Randspalt aufweist, werden nach
dem
Füllen des Formraums zum Aushärten des Faserverbundwerkstoffs in einen beheizten
Autoklaven mit einem Betriebsdruck zwischen etwa 5 und 10 bar eingesetzt, unter
dessen Wirkung die Werkzeugteile und somit die Faserverbundwerkstoffüllung im Formraum
zusammengepreßt werden, wobei der Harzüberschuß über den Randspalt ausgequetscht
wird. Vor dem Einsetzen in den Autoklaven wird das Formwerkzeug zur Abdichtung gegen
den Autoklavendruck in eine mit Hilfe einer Dichtschnur verscsossene Vakuumfolie
eingepackt und an eine von der Folie ins Freie oder an eine Unterdruckpumpe führende
Entlüftungsleitung angeschlossen, über die die in der Vakuumfolie verbliebene Luftmenge
und insbesondere die während des Aushärtens im Formraum frei#werdenden, gasförmigen
Einschlüsse über den Randspalt abgezogen werden. Um sicherzustellen, daß die Entlüftung
des Formwerkzeugs und vor allem des Formraums nicht durch die Vakuumfolie blockiert
wird, wird das Formwerkzeug vor dem Umwickeln mit der Folie zusätzlich noch mit
einer Zwischenschicht aus luftdurchlässigem Material ummantelt.
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Das Einpacken mit der Vakuumfolie erfordert sehr viel Sorgfalt und
Geschick, da die Folie in alle konkaven Stellen, also Aussparungen, zurückspringende
Ecken und sonstige Vertiefungen der Werkzeugteile bzw. der porösen Zwischenschicht,
exakt eingelegt werden muß, weil anderenfalls die Gefahr besteht, daß sie unter
der Wirkung des hohen Autoklavend rucks überdehnt und leck wird, mit der Folge,
daß das Bauteil nicht ordnungsgemäß aushärtet und als Ausschußteil ausgemustert
werden muß. Außerdem ist die Folie nur einmal verwendbar, und die Ummantelung mit
der porösen Zwischenschicht hat den höchst unerwünschten Nebeneffekt, daß hierdurch
die Wärmezufuhr zum Formwerkzeug behindert und dementsprechend der Aushärtvorgang
und die Autoklavenbelegzeit verlängert wird. Hinzu kommt, daß die Bauteile in den
bekannten Formwerkzeugen nicht auf ihr Endmaß gebracht werden und daher ein nachträgliches
Zuschneiden der Bauteile und Ausschneiden von Ausnehmungen und dgl. erforderlich
ist. Eine solche Nachbearbeitung der gehärteten Faserverbundwerkstoffteile aber
ist ein sehr zeitraubender Vorgang und nur mit Spezialwerkzeugen, etwa Diamantschleifmaschinen,
möglich. Insgesamt ist daher mit den bekannten
Formwerkzeugen die
Herstellung von räumlich geformten Faserverbundwerkstoff-Bauteilen mit großem Arbeits-
und Kostenaufwand verbunden, was vor allem bei einer Serienfertigung derartiger
Bauteile ein gravierender Nachteil ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Formwerkzeug
der beanspruchten Art zu schaffen, das mit geringem maschinellem und insbesondere
Zeit- und Kostenaufwand eine rationelle, exakte Serienfertigung von Faserverbundwerkstoff-Bauteilen
in Autoklaven ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Formwerkzeug der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine den Formraum verschließende, wiederverwendbare,
flexible Maske aus einem wärmebeständigen Material mit über den Formraum hinaus
verlängerten, am Werkzeugteil formgleich anliegenden Wandabschnitten, die mit einem
in eine entsprechende Nut im Werkzeugteil außerhalb des Formraums lösbar eingreifenden
Dichtwulst mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Werkzeugteil
versehen sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug werden unter Verzicht auf die
sonst übliche Vakuumfolie und poröse Ummantelung das oder die Werkzeugteile gegen
den äußeren Autoklavendruck allein durch die vorgefertigte Maske dichtend verschlossen,
die durch ihre über den Formraum bzw. den Randspalt zwischen den Werkzeugteilen
hinaus verlängerten Wandabschnitte und die daran angeformten Dichtwtilste sicher
und exakt am Werkzeugteil positioniert wird, ohne das Zusammenpressen der Faserverbundwerkstoffüllung
unter der Wirkung des Autoklavendrucks und die Entlüftung des Formraums zu behindern,
mit der Besonderheit, daß die Maske auch bei häufiger Verwendung ausreichend form-
und wärmebeständig bleibt, also auch bei einer Serienfertigung der Bauteile nur
selten erneuert werden muß, und unter der Wärmeeinwirkung eine selbsttätige Abdichtung
an den Dichtwulsten garantiert. Das erfindungsgemäße Formwerkzeug läßt sich nach
dem Einfüllen des Faserverbundwerkstoffs mühelos und sicher durch die zugeordnete,
gegen unzulässige
Verformungen stabile Maske verschließen und ebenso
einfach nach dem Aushärten wieder öffnen, sorgt unter Verkürzung der Autoklavenbelegzeit
für eine hochgradige, weitgehend unbehinderte Wärme- und Preßdruckzufuhr zum Faserverbundwerkstoff
und eine ungestörte Entlüftung des Formraums während des Aushärtprozesses, enthält
- anders als die bekannten Formwerkzeuge mit Folienverpackung - keine nur einmalig
verwendbaren Bestandteile und ermöglicht eine maßgenaue Ausbildung der Bauteile,
die nach dem Aushärten einer allenfalls geringfügigen, einfachen Nachbearbeitung
bedürfen. Wegen des Fortfalls aufwendiger Vorbereitungs-und Nachbearbeitungsvorgänge
und der einfachen und sicheren Funktionsweise eignet sich das Autoklavenwerkzeug
nach der Brfindung daher in hervorragender Weise zur Serienfertigung von räumlich
geformten Faserverbundwerkstoff-Bauteilen.
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Um die Herstellung der Maske selbst zu vereinfachen, ist diese zweckmäßigerweise
einschließlich des Dichtwulstes einstückig ausgebildet, und ein für die Maske hinsichtlich
Flexibilität, Temperaturbeständigkeit und Festigkeit besonders geeignetes Material
ist ein elastomerer Werkstoff, vorzugsweise Silicon.
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Aus Gründen einer ebenfalls besonders einfachen, vor allem aber formgenauen
Herstellung der Maske besteht diese in besonders bevorzugter Weise aus einem zunächst
im nicht-vulkanisierten Zustand an das Werkzeugteil angeformten und dann zur fertigen
Maske ausvulkanisierten Elastomer.
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Eine weitere, besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht
darin, daß die den Formraum begrenzenden, in Richtung der Flächenerstreckung des
Bauteils verlaufenden Innenflächen des Werkzeugteils bzw. der Maske mit einem auswechselbaren
Sauggewebe belegt sind. Im Gegensatz zu den bekannten Formwerkzeugen, wo der Harz
überschuß in Richtung der Flächenerstreckung des Bauteils aus dem Formraum ausgequetscht
wird und daher die Gefahr besteht, daß die Verstärkungsfasern von diesemNärzfluß
mitgenommen werden und ihre ordnungsgemäße Orientierung verlieren, wird durch diese
Anordnung eines Sauggewebes auf der Formraumober- und -unterseite ein wesentlich
verbesserter Harzfluß
in Richtung der Bauteildicke mit kurzen Fließwegen
erreicht, wobei das Sauggewebe dann nach dem Aushärten vom fertigen Bauteil abgelöst
wird.
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Zweckmäßigerweise erfolgt die Entlüftung des Formraums über einen
an der Maske befestigten, über die Abzugsöffnung in den Formraum mündenden Anschlußstutzen,
der vorzugsweise an eine Unterdruckleitung angeschlossen ist.
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Zweckmäßigerweise hat der durch das Werkzeugteil bzw. die Maske allseitig
begrenzte Formraum im wesentlichen die gleiche Querschnittsgeometrie wie das endgültig
fertiggestellte Bauteil, so daß dieses im Formwerkzeug mit der gewünschten Außenkontur
einschließlich sämtlichen Ausnehmungen und dgl. maßhaltig ausgeformt wird. Derartige
Aussparungen oder Ausnehmungen im Bauteil werden vorzugsweise dadurch ausgebildet,
daß entsprechend den Endabmessungen des fertiggestellten Bauteils zumindest ein
auswechselbares Formstück im Formraum an die Maske oder das Werkzeugteil ansetzbar
ist. Durch solche Formstücke läßt sich gleichzeitig auch der Formraum auf unterschiedliche
Bauteilformen umrüsten.
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In besonders bevorzugter Weise werden schließlich vorgefertigte Einbau-
oder Anschlußelemente, die anderenfalls mit großem Arbeitsaufwand in das ausgehärtete
Bauteil ein- oder angebaut werden mUßten, gleich beim Aushärten in den Faserverbundwerkstoff
in der Weise miteinlaminiert, daß diese Einbau- oder Anschlußelemente im Formraum
an der Maske bzw. dem Werkzeugteil fixiert werden und dann nach dem Einfüllen und
Aushärten des Faserverbundwerkstoffs einen integralen Bestandteil des fertigen Bauteils
bilden.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand zweier Ausführungsbeispiele in
Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische,
perspektivische Darstellung eines mit dem Formwerkzeug nach der Erfindung hergestellten
Eckbauteils aus Faserverbundwerkstoff;
Fig. 2 eine ebenfalls schematische,
perspektitische Darstellung eines entsprechenden Formwerkzeugs im geschlossenen
Zustand; Fig. 3 einen schematischen Teilschnitt längs der Linie 111-111 der Fig.
2; und Fig. 4 einen schematischen Schnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
Formwerkzeugs nach der Erfindung.
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Das in Fig. 1 gezeigte Eckbauteil 2 enthält zwei, einen Winkel von
90° einschließende Wandabschnitte 4 und 6, an denen stirnseitig ebenfalls unter
900 ein dritter, L-förmiger Wandabschnitt 8 angeformt ist. Das Bauteil 2 ist einstückig
aus Faserverbundwerkstoff in mehreren, übereinander gelegten, mit Harz vorgetränkten
Faserschichten, sogenannten Prepregs, mit sich kreuzender Faserrichtung hergestellt,
wobei aais/Fasermaterial z. B.
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Carbonfasern gewählt werden, die - anders in der prinzipiellen Darstellung
der Fig. 1 - in den Prepregs dicht nebeneinander liegend verlaufen. Das Eckbauteil
2 hat eine gleichförmige Wandstärke, und in den dritten Wandabschnitt 8 sind Anschlußelemente
10 in Form von Aufnahmebuchsen für Befestigungsbolzen oder dgl. einlaminiert.
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Hergestellt wird das Bauteil 2 mit Hilfe des in den Fig. 2 und 3 gezeigten
Formwerkzeugs 12, das ein inneres und ein äußeres, plattenförmiges, entsprechend
der Raumform des Bauteils 2 abgewinkeltes Werkzeugteil 14 bzw. 16, zum Beispiel
aus Stahl, enthält, die an ihren einander zugekehrten Innenflächen 18, 20 einen
Formraum 22 begrenzen, der nach außen durch eine sich längs der Randbereiche der
Werkzeugteile 14, 16 streifenförmig erstreckenden Maske 24 druckdicht verschlossen
ist. Wie Fig. 3 am deutlichsten zeigt, enthält die Maske 24, die einstückig aus
Silicon oder einem anderen Elastomeren hergestellt ist, zwei beidseitig an ihren
den Formraum oder-spalt 22 überbrückenden Mittelabschnitt 26 angeformte Wandabschnitte
28, 30, die jeweils formgleich am Werkzeugteil 14 bzw. 16 außerhalb des Formraums
22 anliegen und
mit einem Dichtwulst 32 bzw. 34 versehen sind,
der in eine entsprechende, durchlaufende Nut 36, 38 des inneren bzw. äußeren Werkzeugteils
14, 16 eingreift.
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Zur Entlüftung des Formraums 2 ist das Formwerkzeug 12 an 40,42 flexible
Unterdruckleitungen ngeschlossen, die unmittelbar über die Werkzeugteile 14, 16
in den Formraum 22 münden können, bei dem gezeigten Ausfuhrungsbeispfel jedoch unter
Zwischenschaltung der Maske 24 an das Werkzeug 12 angeschlossen sind. Zu diesem
Zweck ist im verlängerten Wandabschnitt 28 der Maske 24 an den einzelnen Absaugstellen,
die in Umfangsrichtung der Maske 24 etwa Im auseinanderliegen, ein Anschlußstutzen
44 befestigt, der mittels eines Schraubrings 46 am Wandabschnitt 28 festgeklemmt
und mit einer der Unterdruckleitungen 40, 42 verbunden ist. Vom Anschlußstutzen
44 führt eine Abzugsöffnung 48 in Form einer in das Werkzeugteil 14 auf dessen Außenseite
eingearbeiteten,schlitzförmigen Nut zum Außenumfang des Formraums 22.
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Um die Außenkontur des Formraums 22 genau an die gewünschte Randkontur
des herzustellenden Bauteils anzupassen, sind zwischen den Mittelabschnitt 26 der
Maske 24 und das Werkzeugteil 16 auswechselbare Formstücke 50 eingelegt, die z.B.
aus Metalleisten bestehen und für den Fall, daß das Bauteil 2 am Rand mit Aussparungen
versehen werden soll, entsprechende, in den Formraum 22 hineinragende Ansätze aufweisen.
Zur Positionierung der in das Bauteil 2 miteinlaminierten Anschlußelemente 10 sind
an entsprechenden Stellen des Werkzeugteils 16 flache Senkbohrungen 52 ausgebildet,
jedoch können die Anschlußelemente 10 wahlweise auch am Werkzeugteil 14 oder 16
durch einen nach dem Aushärten leicht lösbaren Kleber fixiert werden.
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Zum Füllen des Formwerkzeugs 12 wird die Maske 24 von den Werkzeugteilen
14 und 16 gelöst und die Werkzeugteile 14, 16 werden voneinander getrennt. Die zuvor
abgelegten, exakt auf die Außenkontur des Formraums 22 zugeschnittenen und im Bereich
der einzuformenden Anschlußelemente 10 ausgeschnittenen Prepregschichten werden
anschließend unter Zwischenlage eines in Fig. 3 gestrichelt
54/
eingezeichneten Sauggewebes auf eines der Werkzeugteile 14 oder 16 aufgelegt, und
nach dem Einsetzen der Anschlußbuchsen 10 und dem Auflegen einer weiteren Sauggewebeschicht
54 auf die andere Seite der Prepregfüllung 56 wird das Formwerkzeug durch das zweite
Werkzeugteil 16 oder 14, die Formstücke 50 und die Maske 24 zusammengebaut und nach
Anschluß der Unterdruckleitungen 40, 42 in einen (nicht-gezeigten) beheizten Autoklaven
eingesetzt, wo es mit einem Autoklavendruck von etwa 5 bis 10 bar beaufschlagt wird.
Wegen des im Vergleich zu Stahl höheren Wärmeausdehnungs koeffi«2ienten von Silicon
dehnen sich die Dichtwulste 32, 34 unter der Wärmeeinwirkung des Autoklaven stärker
als die Nuten 36, 38 aus und sorgen für eine selbsttätige, sichere Abdichtung des
Formraums 22 gegen den Autoklavendruck. Die über die Maske 24 begrenzt elastisch
miteinander verbundenen Werkzeugteile 14, 16 werden durch den Autoklavendruck zusammengepreßt,
so daß die Prepregfüllung 56 im Formraum 22 zusammengedr<1ckt wird und unter
gleichzeitiger Wärmezufuhr aushärtet. Die dabei im Formraum 22 freiwerdenden,- g.asförmigen
Einschlüsse werden über die Abzugs-Öffnung 48, den Anschlußstutzen 44 und die Unterdruckleitungen
40, 42 abgesaugt. Der Harzüberschuß fließt senkrecht zur Flächenerstreckung der
Prepregfüllung 56, also in Richtung der Bauteildicke, und wird von den auf den Innenflächen
18, 20 der Werkzeugteile 14, 16 anliegenden Sauggeweben 54 auf genommen. Nach dem
Aushärten, dem Öffnen des Formwerkzeugs 12 und dem Entformen des Bauteils 2 kannwerden
die Sauggewebe 54 entfernt und das Formwerkzeug 12 erneut mit Faserverbundwerkstoff
gefüllt werden.
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Die Siliconmaske 24 ist äußerst wärme- und druckbeständig und bis
zu 400 mal wiederverwendbar. Zur Herstellung der Maske 24 wird die Siliconmasse
im nicht-vulkanisierten, leicht veriormbaren Zustand an die unter Freihaltung des
Formraums 22 einschl.
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der Randleisten 50 zusammengesetzten Werkzeugteile 14, 16 angeformt
und in die Nuten 36, 38 eingedrückt und anschließend auf den Werkzeugteilen 14,
16 ausvulkanisiert. Dabei können gleichzeitig auch die für die Anschlußstutzen 44
im Wandabschnitt 28 der Maske 24 innerhalb des Dichtwulstes 32 angeordneten Öffnungen
mitgeformt
werden. Diese Herstellungmethode garantiert eine einfache, formgleiche Anpassung
der Maske 24 an die Werkzeugteile 14, 16 bzw. die Formstücke 50.
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Bei dem Formwerkzeug gemäß Fig. 4, bei dem die dem ersten AusfUhrungsbeispiel
entsprechenden Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, wird auf das
Werkzeugteil 16 verzichtet und statt dessen ist der Formraum 22 nicht nur am Rand,
sondern auf seiner gesamten Außenseite durch die flexible Maske 24 begrenzt. Im
übrigen entspricht die Bau- und Funktionsweise dieses Formwerkzeugs der des ersten
Ausführungsbeispiels, abgesehen davon, daß die im Wandabschnitt 28 der Maske 24
befestigten Anschlußstutzen 44 nicht unter Zwischenschaltung der Schlitze 48 im
Werkzeugteil 14, sondern unmittelbar am Außenumfang des Formraums 22 in diesen münden.
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