DE4234002A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines einseitig offenen Hohlprofilteils aus viella­ gig langfaserverstärktem, unter Druckeinwirkung ausgehärtetem Werk­ stoff, insbesondere eines dickwandigen, im Querschnitt im wesentli­ chen U-förmigen Faserverbundbauteils nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 bzw. 7.

Es ist bekannt, einseitig offene, etwa U- oder schlaufenförmige Hohlprofilteile aus einer Vielzahl von übereinander geschichteten Faserlagen dadurch herzustellen, daß die Faserlagen nacheinander auf einem der Innenkontur des Hohlprofilteils entsprechenden Legekern zu einem Vorformteil, dessen Wanddicke über der des fertigen Bauteils liegt, faltenfrei abgelegt und angerollt werden und anschließend das Vorformteil in einer Vakuum- oder geteilten Außenpreßform unter Ver­ dichtung des Faserverbundlaminats in die endgültige Hohlprofilform verpreßt und ausgehärtet wird. Dabei kommt es jedoch insbesondere bei dickwandigeren Hohlprofilteilen in den Bereichen starker Profil­ krümmung, also etwa den Eckbereichen eines U-Profils, zu höchst un­ erwünschten Fehlorientierungen der Faserlagen, d. h. die ursprünglich gestreckt liegenden Fasern werden ausgelenkt und es entstehen mehr oder weniger stark ausgebildete Falten im fertigen Bauteil. Um der­ artigen Faser-Desorientierungen entgegenzuwirken, ist es ferner be­ kannt das Vorformteil schrittweise jeweils nach Ablegen einiger weniger Faserlagen, etwa durch Vakuumkompression des Laminats, vor­ zuverdichten, was aber ein sehr zeitaufwendiger Vorgang ist und das Problem von Faser-Fehlausrichtungen im fertigen Bauteil nur in be­ grenztem Umfang zu beheben vermag.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf fer­ tigungstechnisch einfache Weise ein qualitativ hochwertiger, von den erwähnten Faser-Desorientierungen freier Faserlagenaufbau des Hohl­ profilteils zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Verfahren bzw. die im Patentanspruch 7 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die besondere, gegenüber dem fertigen Hohlprofilteil verengte Innengeometrie des Vorformteils und das beim Aufweiten und Komprimieren des Faserverbundlaminats in die endgülti­ ge Profilform und -wandstärke des herzustellenden Profilteils er­ zielte Nachziehen der Faserlagen von den freien Faserlagenenden aus eine über die gesamte Länge wirksame Straffung der Faserlagen er­ reicht und dadurch selbst bei dickwandigen, zumindest stellenweise stark gekrümmten Bauteilen eine steifigkeits- und festigkeitsmäßig hochwertige von Faltenbildungen und anderen Faser-Desorientierungen freie Faserlagenstruktur ohne umständliche Vorverdichtung des Vor­ formteils garantiert.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die endgültige Formgebung gemäß Anspruch 2 vorzugsweise durch eine im wesentlichen zentrische Streckung des Vorformteils, wodurch sich bei der innenkonturseitigen Aufweitung und Verdichtung des Faserverbund­ laminats in den einzelnen Faserlagen eine äußerst günstige Zugspan­ nungsverteilung in Richtung ihrer Flächenerstreckung ergibt. Zwar ist es durchaus möglich, das Vorformteil an seiner Außenfläche be­ reits mit der endgültigen Hohlprofil-Außenkontur abzulegen, vorzugs­ weise wird das Vorformteil gemäß Anspruch 3 aber mit einer gegenüber der endgültigen Hohlprofilform ebenfalls - wenn auch geringfügig - verengten Außenkontur ausgebildet, um so auch in den äußeren Faser­ lagen eine Faserstraffung beim Verpressen des Faserverbundlaminats sicherzustellen.

Aus Gründen einer hohen Formgenauigkeit wird das Vorformteil gemäß Anspruch 4 beim Verpressen zweckmäßigerweise an einer feststehenden, der endgültigen Außenkontur entsprechenden Formfläche des Preßform­ werkzeugs abgestützt. Damit die Faserlagen beim Verpressen über ihre gesamte Länge möglichst gleichmäßig gestrafft werden, wird die Ex­ pansion des Druckstempels gemäß Anspruch 5 vorzugsweise derart ge­ steuert, daß der Preßdruck zunächst in einem mittleren Bereich des Vorformteils und dann fortschreitend zu den freien Faserlagenenden hin aufgebaut wird.

Zweckmäßigerweise wird die Faserverbundmatrix gemäß Anspruch 6 beim Verpressen des Vorformteils in einem niedrigen Viskositätszustand gehalten, um Störwirkungen der Faserverbundmatrix, die die freie Relativverschiebung und Straffung der einzelnen Faserlagen beim Auf­ weiten und Verdichten des Vorformteils behindern könnten, auszu­ schalten.

Zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Formvorrichtung sind in den Ansprüchen 8 bis 12 gekennzeichnet. So besteht der Druckstempel ge­ mäß Anspruch 8 aus Gründen einer hohen Formgenauigkeit vorzugsweise aus mehreren, in sich starren, relativ zueinander aufspreizbaren Stempelteilen, und zwar im Hinblick auf eine einfache konstruktive Gestaltung nach den Ansprüchen 9 und 10 zweckmäßigerweise aus zwei Stempelhälften die quer zur Vorschubrichtung des Druckstempels mit­ tels eines Spreizkeils aufweitbar sind, dessen Stirnfläche im expan­ dierten Zustand des Druckstempels einen Teil der formgebenden Stem­ pelfläche bildet.

Ferner sind die formgebenden Druckstempelflächen gemäß Anspruch 11 im expandierten Zustand wiederum aus Gründen einer exakten Steuerung des Preßformvorgangs vorzugsweise durch werkzeugfeste Anschläge fi­ xiert. Eine erhebliche fertigungstechnische Vereinfachung und Ver­ ringerung des Werkzeugaufwands läßt sich schließlich dadurch erzie­ len, daß der Legekern gemäß Anspruch 12 als Druckstempel des Preß­ formwerkzeugs verwendet wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierte Darstellung:

Fig. 1 einen Schnitt eines einseitig offenen Faserverbund- Hohlprofilteils in Form eines U-Profils im ausgehär­ teten Zustand;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des kombinierten Lege- und Preßformwerkzeugs vor dem Ablegen der Fa­ serlagen;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung nach Been­ digung des Legevorgangs;

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung nach dem Aufsetzen der Außenform; und

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung des kombi­ nierten Lege- und Preßformwerkzeugs nach Beendigung des Preßformvorgangs.

Fig. 1 zeigt ein relativ dickwandiges im Querschnitt U-förmiges Hohlprofilteil 2, das aus langfaserverstärktem Werkstoff aus einer Vielzahl von übereinanderliegenden, parallel zur Bauteil-Innenkontur verlaufenden Faserlagen besteht, wie dies in Fig. 1 durch die Rich­ tungspfeile angedeutet ist. Üblicherweise wird das Bauteil 2 dadurch hergestellt, daß die Faserlagen nacheinander auf einem der Bauteil- Innenkontur entsprechenden Legekern mit der lichten Weite W bis zu einer um das Übermaß x die endgültige Wandstärke d des Bauteils 2 über steigenden Laminatdicke abgelegt werden und das so entstandene Vorformteil, dessen Außenkontur in Fig. 1 in gestrichelten Linien gezeigt ist, anschließend in einem Preßformwerkzeug durch außenkon­ turseitige Kompression in die endgültige Hohlprofilform verpreßt und ausgehärtet wird. Hierbei kommt es jedoch insbesondere in den stark gekrümmten Eckbereichen des U-Profils zu den erwähnten Faser-Deso­ rientierungen.

Erfindungsgemäß hingegen wird das Vorformteil mit einer gegenüber dem herzustellenden Bauteil verkleinerten Innenkontur auf einem Formwerkzeug 4 abgelegt, welches aus einem feststehenden Legetisch 6 und mit diesem fest verschraubten, hinteren und - in Fig. 2 gestri­ chelt dargestellten - vorderen Seitenwangen 8, 10 sowie einem zwi­ schen diesen angeordneten, geteilten, als Legekern wirkenden Druck­ stempel 12 zusammengesetzt ist, dessen Stempelhälften 14, 16 auf dem Legetisch 6 aufliegen und während des Legevorgangs mittels Absteck­ bolzen 18 an den Seitenwangen 8, 10 positioniert und gegen Umkippen gesichert sind. In dieser Stellung berühren sich die Stempelhälften 14, 16 linienförmig im oberen Bereich, wobei die gemeinsame Breite B beider Stempelhälften 14, 16 entsprechend der gegenüber der endgül­ tigen Innenkontur des Bauteils 2 verengten Querschnittsgeometrie des Legekerns um ein vorgegebenes Maß kleiner ist als die lichte Weite W des herzustellenden U-Profilteils 2.

Zwischen den Stempelhälften 14, 16 befindet sich ein Spreizkeil 20, welcher am Legetisch aufliegt und mit Führungselementen 22 versehen ist, die in entsprechende Führungsschlitze in den Seitenwangen 8, 10 eingreifen und eine vertikal verschiebliche Führung des Spreizkeiles 20 ermöglichen.

Über die Stempelhälften 14, 16 werden mit Harz imprägnierte Gewebe - bzw. unidirektionale Faserlagen mit dem in Fig. 3 dargestellten Fa­ serlagenverlauf übereinander abgelegt, wobei die einzelnen Faserla­ gen am Legetisch 6 enden. Am Ende des Legevorgangs besitzt das so hergestellte Vorformteil 24 (Fig. 3) eine wiederum um das Kompres­ sionsmaß x gegenüber der endgültigen Wandstärke d des herzustellen­ den U-Profils 2 erhöhte Laminatdicke D und das Außenmaß B + 2 D des Vorformteils 24 weist ein geringes Untermaß gegenüber der späteren Außenkontur des U-Profils 2 auf.

In einem nächsten Arbeitsschritt (Fig. 4) wird eine einteilige Au­ ßenform 26 mit einer der Außenkontur des Bauteils 2 entsprechenden Formfläche 28 zwischen die Seitenwangen 8, 10 eingeführt, über nicht gezeigte Paßstifte am Legetisch 6 positioniert und mit diesem durch Befestigungsschrauben 30 verschraubt, woraufhin die Absteckbolzen 18 gezogen und das Formwerkzeug 4 um 180° gedreht wird, so daß der Le­ getisch 6 nunmehr oben liegt.

Anschließend wird das Formwerkzeug 4 in einen Umluft-Härteofen (nicht gezeigt) eingefahren. Durch das Aufheizen des Faserverbund­ laminats verringert sich die Viskosität der Harzmatrix. Nunmehr wird mittels einer Druckspindel 32 (Fig. 5) der Spreizkeil 20 in Vor­ schubrichtung zwischen die Druckstempelhälften 14, 16 eingefahren. Hierdurch wird der Druckstempel 12 expandiert, und in der in Fig. 5 gezeigten Anschlagposition der Druckspindel 32 sind die Formflächen 34, 36 der Stempelhälften 14. 16 auf die lichte Profilweite W aufge­ weitet und bilden gemeinsam mit der Stirnfläche 38 des Spreizkeils 20 die Innenkontur des Hohlprofilteils. Durch die Expansion des Druckstempels 12 wird das Faserverbundlaminat des Vorformteils auf die endgültige Profildicke d verdichtet und dabei werden die einzel­ nen Faserlagen gestrafft, und es entsteht ein absolut faltenfreies Faserverbundlaminat. Überschüssiges Harz kann während des Verpres­ sens durch Bohrungen 40 im Legetisch 6 und (nicht gezeigt) in den Seitenwangen 8. 10 nach oben austreten.

Die Expansion des Druckstempels 12 wird so gesteuert, daß die Stem­ pelhälften 14, 16 zunächst gemeinsam mit dem Spreizkeil 20 in Vor­ schubrichtung verfahren und erst in der letzten Vorschubphase des Spreizkeils 20 seitlich auf die endgültige Profilweite W aufge­ spreizt werden, so daß sich der Preßdruck zunächst an den mittleren Profilabschnitten zwischen den Eckbereichen und dann fortschreitend zu den freien Profilenden des U-Profils hin aufbaut.

Nach Beendigung des Härtevorganges wird die Außenform 26 demontiert und das maßgenaue Hohlprofilteil 2 entnommen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Herstellen eines einseitig offenen Hohlprofil­ teils aus viellagig langfaserverstärktem, unter Druckeinwirkung ausgehärtetem Werkstoff, insbesondere eines dickwandigen, im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen Faserverbundbauteils, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen zu einem Vorformteil mit einer gegenüber dem fertigen Hohlprofilteil verkleinerten Innenkontur abgelegt wer­ den und anschließend das Vorformteil in einem Preßformwerkzeug mittels eines innenkonturseitig einwirkenden, expandierbaren Druckstempels in die endgültige Hohlprofilform verpreßt und ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorformteil im Bereich der innenkonturseitigen Faserlagen durch eine im wesentlichen zentrische Streckung in die endgül­ tige Hohlprofilform verpreßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorformteil mit einer gegenüber der endgültigen Hohlprofil­ form geringfügig verkleinerten Außenkontur ausgebildet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorformteil beim Verpressen an einer feststehenden, der endgültigen Außenkontur entsprechenden Formfläche abgestützt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansion des Druckstempels derart gesteuert wird, daß der Preßdruck zunächst an den mittleren Faserlagenabschnitten des Vorformteils und dann fortschreitend zu den freien Faserlagen­ enden hin aufgebaut wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundmatrix beim Verpressen des Vorformteils in ei­ nem niedrigen Viskositätszustand gehalten wird.

7. Vorrichtung zum Herstellen eines einseitig offenen Hohlprofil­ teils aus viellagig langfaserverstärktem, unter Druckeinwirkung ausgehärtetem Werkstoff, insbesondere eines dickwandigen, im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen Faserverbundbauteils, gekennzeichnet durch einen Legekern (12) mit einer gegenüber der Innenkontur des fertigen Hohlprofilteils (2) im Querschnitt verkleinerten Lege­ fläche zum Herstellen eines Vorformteils (24) aus den unver­ preßten und ungehärteten Faserlagen und ein Preßformwerkzeug (4) mit einer festen, der Außenkontur des fertigen Hohlprofil­ teils entsprechenden Formfläche (28) sowie einem auf die Innen­ fläche des Vorformteils einwirkenden, preßdruckerzeugend bis zur endgültigen Innenkontur des Hohlprofilteils expandierbaren Druckstempel (14, 16, 20).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (14, 16, 20) aus mehreren, in sich starren, relativ zueinander aufspreizbaren, jeweils einen Teil der In­ nenkontur des Hohlprofilteils formgebenden Stempelteilen be­ steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß daß Druckstempel (14, 16, 20) einen zentralen, in Vorschubrich­ tung an dem festen Formflächenteil (26) des Preßformwerkzeugs (4) verschieblich geführten Spreizkeil (20) und zwei durch die­ sen quer zur Vorschubrichtung auseinandergedrückte Stempelteile (14, 16) enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizkeil (20) mit einer im expandierten Zustand des Druckstempels (14, 16, 20) den zwischen den beiden Stempeltei­ len (14, 16) liegenden Abschnitt der Hohlprofil-Innenkontur formgebenden Stirnfläche (38) versehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die formgebenden Druckstempelflächen (34, 36, 38) im expandier­ ten Zustand durch werkzeugfeste Anschläge (6, 32) fixiert sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Legekern (12) durch zentrische Streckung der Legefläche bis zur endgültigen Innenkontur des Hohlprofilteils (2) aufweitbar und als Druckstempel (14, 16, 20) des Preßformwerkzeugs (4) vorgesehen ist.