DE4139523A1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zum Herstellen von Bautei­ len aus faserverstärkten Kunststoffen.

Aus der DE-PS 36 05 256 und DE-PS 37 39 753 sind Verfahren bekannt, bei denen eine faserverstärkte, elastische Matte als formgebendes Druckstück (Formdruckstück) im Autoklaven verwendet werden.

Durch Harzinfiltration werden zahlreiche Teile hergestellt (vgl. beispielsweise "Das RTM-Verfahren - Technologie und Anwendungsgebiete" W. Michaeli u. a., Kunststoffe 79 (1989) S. 586 ff, Carl Hanser Verlag, München). Mit der dabei ein­ gesetzten Werkzeugtechnik lassen sich jedoch nur ebene oder gekrümmte Bau­ teile mit gleichbleibender oder in Grenzen aufgedickter Wandstärke fertigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem Bauteile aus fa­ serverstärkten Kunststoffen herstellbar sind, die hochintegral, d. h. mit individuel­ len Profilaussteifungen (Möglichkeit von Hinterschneidungen) sowie auch mit Rippenkreuzungspunkten ausgeführt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren des Anspruchs 1 gelöst. Eine Ausgestaltung des Verfahrens und ein Werkzeug sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Wesentlich für die Erfindung ist das Einbringen der Verstärkungs- bzw. Füllstoffe (z. B. Fasern, Schäume, Inserts, Vorformlinge) der zu fertigenden Verbundstruk­ tur in die Preßform, die aus festen und/oder flexiblen Partien besteht. Die Herstel­ lung der Struktur erfolgt durch Harzinfiltration, das heißt mittels Vakuumansau­ gung und/oder Druckunterstützung. Das zum Teil elastisch nachgebende Form­ druckstück, entsprechend den in den Patenten 36 05 256 und 37 39 753 Offen­ barten, paßt sich in Grenzen dem Lagenaufbau an, das heißt, bei zu langem oder kurzem Lagenzuschnitt wird auf dieser Seite des Bauteils auf Konturgenauigkeit verzichtet, wodurch aber die Gleichmäßigkeit der Harz-Faser-Verteilung erhal­ ten bleibt.

Stellen mit zu viel Harz (Harznester) oder mit zu wenig Harz werden zuverlässig vermieden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich ausgesteifte Schalen, Haut­ felder, Verkleidungsteile und sonstige ebene, gekrümmte und verschachtelte Beplankungen oder Strukturteile mit kleinen und großen Abmessungen herstel­ len. Die Gegenstände werden in einem Aushärtevorgang (in situ) aus faserver­ stärkten oder selbstverstärkenden Kunststoffen oder Hybridwerkstoffen (Misch­ bauweisen) hergestellt. Herstellbar sind sowohl Bauteile mit kontinuierlicher Wandstärke wie Bauteile mit wechselnden Wandstärken oder solche mit Verstei­ fungen wie z. B. Rippen oder Stringern.

Vorteile der Erfindung:

• - Herstellbarkeit hochintegraler Bauteile
• - Ausgleich (durch die Flexibilität des Werkzeugs) des Schrumpfes, der sich durch Temperaturunterschiede und/oder Aushärtevorgänge ergibt
• - Ausgleich nie ganz vermeidbarer Lagetoleranzen der Füll-Verstärkungs­ stoffe (z. B. Stellen, an denen ein Gewebezuschnitt zu kurz ist, werden bei herkömmlichen Techniken mit Harznestern aufgefüllt; Stellen, an denen ein Gewebezuschnitt zu lang ist, werden unzulässig komprimiert oder ein herkömmliches Werkzeug läßt sich nicht ganz schließen) durch Nachge­ ben der flexiblen Werkzeugpartien
• - Reduzierung der Arbeitsvorgänge, der Herstellzeiten und der Herstell­ kosten gegenüber Prepreg-Technik
• - Ausschußminimierung durch Reduzierung der Prüfkosten und Verbesse­ rung der Bauteilqualität
• - geringere Anforderungen an die Qualifikation des Personals durch stark vereinfachtes Einlegen der Verstärkungs- und/oder Füllstoffe sowie even­ tuell vorgefertigter Komponenten (z. B. Inserts, Prepregs, trockene Gewe­ be)
• - sehr homogene Verteilung des Faser-/Harzgehaltes durch die Verwend­ barkeit eines hydrostatischen Preßdruckes zum Verdichten, ermöglicht durch das oder die flexiblen Formdruckstücke
• - dadurch auch ein sehr niedriger Gesamtharzgehalt im Bauteil erzielbar
• - bei Verwendung trockener Füll- und Verstärkungsstoffe anstelle vorge­ fertigter Prepregs geringere Halbzeugpreise und bessere Drapierbarkeit
• - wesentliche Arbeitsschritte können zum Halbzeuglieferanten verlagert sein (z. B. Konfektionierung sog. Vorformlinge)
• - vereinfachte Entnahme des Bauteils aus dem Werkzeug, bedingt durch die flexiblen Formdruckstücke des Werkzeugs
• - durch Vernähen der Versteifungselemente mit der flächigen Struktur ergeben sich geringere Risiken für deren Ablösung
• - Drapierbarkeit selbst schwieriger, nicht abrollbarer Konturen
• - deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität gegenüber Prepreg- Technik Die Erfindung wird mit zwei Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik,

Fig. 2 zwei Details eines Vorformlings.

Die Fig. 1 zeigt oben drei schematische Darstellungen des bisherigen Hart-/Hart- Werkzeugkonzepts.

Bei dem oben verwendeten Werkzeug mit starren Formteilen (Formmulden) auf beiden Seiten des Bauteils werden bei optimaler Lagenanordnung auch fehler­ freie Bauteile mit gleichmäßiger Faser-/Harz-Verteilung hergestellt (ganz oben). Ist der Lagenzuschnitt zu kurz (zweites Teilbild), so entsteht ein Harznest mit schlechter Verdichtung. Ist der Lagenzuschnitt zu lang (drittes Teilbild), entste­ hen Stellen ohne Harz oder das Werkzeug schließt gar nicht richtig oder defor­ miert im schlimmsten Fall. Die erfindungsgemäße Verwendung eines zum Teil flexiblen Formdruckstücks auf einer Seite verhindert diese Fehler. Das flexible Formdruckstück paßt sich dem fehlerhaften (zu langen oder zu kurzen) Lagenzu­ schnitt an. Die Verteilung von Harz und Verstärkungen bleibt wie gewünscht. Der eventuell erforderliche Gegendruck wird vom Autoklaven aufgebracht und wirkt über das flexible Formdruckstück stets senkrecht zur Bauteiloberfläche, wodurch auch Bauteile mit integrierten Stringern und Spanten in gewünschter Qualität herstellbar sind.

Fig. 2 zeigt Details von zwei Vorformlingen, bei denen siebenlagige Gewebe aus z. B. Glasfaser mit ebenfalls je siebenlagigen Geweben für Stringerversteifun­ gen vernäht sind. Die Nähte sind durch gestrichelte Linien gezeigt. Durch das Aufnähen der Versteifungen kann ein einziger Vorformling erzeugt werden, des­ sen Form der des Bauteils entspricht.

Das Vernähen hat zum einen den Vorteil, daß bereits alle Teile des Vorformlings aneinander fixiert sind und zum anderen, daß er in Dickenrichtung versteift ist. Der Vorformling kann außerhalb des Werkzeugs vorgefertigt werden, seine Rän­ der können z. B. durch Überwendlichstich oder Overlockstich versäubert sein, was die Handhabbarkeit verbessert. Diese Randvernähungen können entweder dort liegen, wo sich später der Bauteilrand befindet oder auch außerhalb - sie werden dann abgeschnitten.

Durch die in Dickenrichtung verlaufenden Fäden der Nähte wird eine Versteifung und Verstärkung in dieser Richtung erreicht. An besonders beanspruchten Tei­ len, wie den Rändern, können deshalb extra Nähte vorgesehen werden. Die Nähte verbessern die Impact-Beständigkeit, dienen als Rißstopper und verhin­ dern die Delamination. Die Nähte (die entsprechend verlaufenden Fäden) be­ günstigen auch die Infiltration. Während bei Kettenstichen sich das Harz in den offenen Schlingen anhäufen kann, hat sich der Steppstich für eine gleichmäßige Harz-Faserverteilung als vorteilhaft erwiesen.

Als Materialien können sowohl die bekannten Fäden (Baumwolle, Synthetik­ garn) als auch Fäden aus dem Material (Glas, Carbon) des Vorformlings verwen­ det werden. So können Carbonvorformlinge mit Kohlefasern vernäht sein, Glas­ vorformlinge mit Glasfasern. Dies geht bis zur Verwendung von Thermoplast­ fäden für Thermoplastvorformlinge, wobei die Fäden dann beim Härtungsvor­ gang mit dem Material verschmelzen.

Der Einsatzbereich erstreckt sich von der Verkehrstechnik (Bauteile von Fahr­ zeugen für die Luftfahrt, Raumfahrt, Schiffahrt, Schienen- und Straßenverkehr und sonstige Personen- oder Fracht-Beförderung) über den gesamten Maschi­ nen- und Gerätebau bis hin zum Sportartikelmarkt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Fertigung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunst­ stoffen mit den Verfahrensschritten:

• a) Herstellen einer harten Formmulde, die ein- oder mehrteilig die eine Seite des Werkstücks wiedergibt,
• b) Herstellen eines ein- oder mehrteiligen, ganz oder partiell flexi­ blen Formdruckstücks - z. B. über einem Simulat - das der ge­ genüberliegenden Seite des Bauteils entspricht,
• c) Einbringen und Auflegen der Verstärkungs- bzw. Füllstoffe (z. B. Fasern, Vorformlinge, Inserts oder Kerne) in die Preßform,
• d) Schließen und eventuell Abdichten und/oder eventuell an­ schließendes Evakuieren des geschlossenen Werkzeugs,
• e) Infiltrieren mit Harz durch Vakuumansaugung und/oder Injek­ tion per Druck,
• f) Aushärten des Bauteils bei Raumtemperatur und Umgebungs­ druck oder bei erhöhter Temperatur (z. B. im Ofen) oder/und bei erhöhtem Druck (z. B. im Autoklaven),
• g) Öffnen des Werkzeugs und Entnahme des Bauteils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ stärkungsstoffe für Versteifungen mit den Verstärkungsstoffen für die fla­ chen Bauteile vor dem Einbringen in das Formdruckstück vernäht wer­ den (z. B. Vorkonfektionierung von Gewebeaufbauten).

3. Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch ein ganz oder partiell flexibles Formdruck­ stück, das der harten Formmulde gegenüberliegt und die Preßform abschließt.