WO2022175543A1 - Presssystem und presswerkzeug für ein presssystem, sowie verfahren zur herstellung eines werkstücks - Google Patents

Presssystem und presswerkzeug für ein presssystem, sowie verfahren zur herstellung eines werkstücks Download PDF

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WO2022175543A1
WO2022175543A1 PCT/EP2022/054333 EP2022054333W WO2022175543A1 WO 2022175543 A1 WO2022175543 A1 WO 2022175543A1 EP 2022054333 W EP2022054333 W EP 2022054333W WO 2022175543 A1 WO2022175543 A1 WO 2022175543A1
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WO
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pressing
workpiece
press
curve
pressing tool
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/054333
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael SCHÖLER
Fabian KÖFFERS
Klaus Schürmann
Georg Geier
Jens Stellmacher
Original Assignee
Siempelkamp Maschinen- Und Anlagenbau Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to EP22707123.0A priority patent/EP4294627A1/de
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Priority to KR1020237029589A priority patent/KR20230147639A/ko
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B5/00—Presses characterised by the use of pressing means other than those mentioned in the preceding groups
    • B30B5/02—Presses characterised by the use of pressing means other than those mentioned in the preceding groups wherein the pressing means is in the form of a flexible element, e.g. diaphragm, urged by fluid pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D22/00—Shaping without cutting, by stamping, spinning, or deep-drawing
    • B21D22/10—Stamping using yieldable or resilient pads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/06—Platens or press rams
    • B30B15/062—Press plates
    • B30B15/064—Press plates with heating or cooling means

Definitions

  • the invention relates to a pressing system comprising: a press with a first pressing tool and a second pressing tool, the first pressing tool and the second pressing tool being movable relative to one another to form a working space, a workpiece, a pressure-generating device for generating a pressure profile acting on the workpiece located in the working space a temperature generating device for generating a temperature profile acting on the workpiece located in the working space, the workpiece undergoing an expansion profile depending on the pressure profile acting in the working area and the temperature profile acting in the working area, the first pressing tool and the second pressing tool depending on the pressure profile acting in the working area and go through a respective expansion course with the temperature course acting in the working area.
  • the invention also relates to a pressing tool for use in a press.
  • the invention relates to a method for producing a workpiece.
  • Pressing systems and pressing tools have been known for a long time.
  • a casting system a casting tool or a casting device
  • the Pressing system comprises at least two pressing tools arranged to be movable in relation to one another, or if the press is suitable for receiving at least two pressing tools arranged to be movable in relation to one another, with a working space being enlarged or reduced by the relative movement of the at least two pressing tools, and with the pressure acting on the workpiece to be machined being independent of one Filling pressure is at least one material component of the workpiece.
  • a component of a press system is therefore also the workpiece to be produced in the press, whereby the term “manufacture” should also be understood to mean the processing of a workpiece within the meaning of the present document.
  • centrifugal casting, RTM or other methods and their arrangements in which at least one (material) component of the workpiece to be produced is placed in liquid form in the closed or at least be introduced essentially closed workspace.
  • the RTM process in particular is often used in different variants for the production of workpieces from fiber composite materials, for example from carbon fiber-containing composite materials (CFRP), although the RTM process has fundamental disadvantages compared to a pressing process.
  • CFRP carbon fiber-containing composite materials
  • Fiber composite materials are composite materials that essentially consist of two main components: reinforcing fibers and a plastic in which the fibers are embedded ("matrix” or “resin”). By combining the two main components, it can be achieved that the composite material has overall better properties than the two components considered alone. For example, due to their high tensile strength in the fiber direction, the fibers help to increase the tensile strength of the composite material.
  • the matrix on the other hand, ensures that the fibers are held in their position and protected from mechanical and chemical influences.
  • CFRP thermoplastics with embedded carbon fiber nets
  • CFRP itself have extremely low length or volume expansion (whereby there are sometimes strong differences in the direction of the fiber layer or at an angle to it, in particular orthogonally, which in a significantly weaker form also applies to glass fiber plastics GRP)
  • the production of workpieces from CFRP in a pressing process is particularly difficult.
  • composites of this type hardly withstand forced expansion, at least during their thermal manufacturing or processing process, at least not without unwanted changes in their matrix, which is so important for later use.
  • there is a risk of unwanted air pockets which again significantly reduces the achievable durability.
  • the thermal expansion behavior of the pressing tools or the press dies can easily represent the decisive limit of the processing possibilities, since the Pressing tools or the press dies themselves must be temperature-resistant. In addition, they must be designed to be economically usable and designed accordingly for a long service life. Furthermore, the pressing tools or the pressing dies must be manufacturable with suitable accuracies and their surfaces must be easy to polish, so that up until now there has been practically no alternative to making them from steel.
  • pressing devices and methods which apply hydrostatic pressure on one side via a membrane to the workpiece resting against a fixed tool.
  • An example of this is the device known from DE 102017 113 595 A1 and the method for producing components made of fiber composite material.
  • a uniform application of pressure to the component to be produced is to be achieved in that a flexible membrane acts on the component, with oil pressure acting on the membrane from the side of the membrane facing away from the component. The membrane is thus pressed onto the component surface by oil pressure.
  • oil pressure acts on all sides and thus the force acting from the membrane on the component surface is the same at every point, in particular the force component acting orthogonally on the component surface.
  • the membrane must have a surface that is as smooth as possible during the entire manufacturing process in order to ensure even pressure transmission to the component surface.
  • the membrane must be reliably sealed against the cavity in which the oil pressure is built up, but still be flexible be stored in order to maintain their smooth surface even with thermally induced expansion or contraction.
  • the object of the invention is to provide a pressing system with which high-quality workpieces can be produced in thermally controlled pressing processes.
  • At least one of these tasks is achieved in a pressing system of the type mentioned at the outset in that the first pressing tool and/or the second pressing tool are designed in such a way that their elongation curve during at least 97.5% of the elongation curve differs by a maximum of 3.5% from the elongation curve of the workpiece deviates.
  • the strain profile corresponds to the amount of strain plotted over a period of time.
  • the invention is therefore not based on the assumption that only the maximum amounts of thermally induced expansions between two materials that interact with one another, in this case the pressing tool material and the Workpiece material, to compare, but to limit their curves and these to a narrow extent of a maximum of 3.5% temporarily applied difference.
  • the inventors have recognized that it is not expedient to adapt the maximum expansion amounts, since the expansion behavior of different materials, in particular composite materials, is not linear.
  • the first pressing tool and the second pressing tool are designed in such a way that their elongation curve deviates by a maximum of 3.5% from the elongation curve of the workpiece during at least 97.5% of the elongation curve, the deviation from the elongation curve deviating from the deviation in the amount of elongation at the same time within a period of time then preferably defined by the pressing process.
  • the expansion or expansion curves of the pressing tools and the workpiece can be determined directly (by measurement) or indirectly (by calculation/simulation) during the pressing process.
  • Contact or non-contact measuring methods can be used for the metrological determination, for example optical measuring methods with image processing and image evaluation.
  • measured variables are to be recorded from which the strain curve is calculated, taking into account known coefficients.
  • These measured variables include, in particular, the temperature or the temperature curve and/or the pressure or the pressure curve.
  • These measurands can also be determined with or without contact (e.g. temperature determination by measuring infrared radiation).
  • the relevant coefficients include, in particular, the expansion coefficient, which depends on the material used.
  • factors such as the volume of a component, the surface of a component, the temperature absorption capacity of a component and shape coefficients can be used in the computational determination.
  • the determined temperature of a cooling or cooling medium flowing through the pressing system can also be used Heating medium are used when there is a heat transfer or heat transport in between.
  • measurement and/or calculation methods that are as high-frequency as possible should be used. The measured or determined expansion curves can be used to control the same, for example by adjusting the temperature during the pressing process.
  • the elongation curve of the first pressing tool and the second pressing tool during at least 98.0% of the elongation curve by a maximum of 3.0% from the elongation curve of the workpiece or even during at least 98.5% of the elongation curve by a maximum of 2.5 % deviates from the elongation curve of the workpiece.
  • Such a pressing system is therefore particularly well suited, among other things, for the production of components made of fiber composite materials based on the use of prefabricated fiber-resin semi-finished products (so-called “prepregs", short for “preimpregnated fibers”).
  • prefabricated fiber-resin semi-finished products so-called “prepregs”, short for “preimpregnated fibers”
  • the fibers are provided with a resin system that has not yet fully reacted, so that the semi-finished products are still in a flexible form (e.g. in web form, on rolls or in plate form). Only when the components are manufactured are the prepregs shaped and hardened at high pressure and high temperatures through the completion of the chemical reaction. This step can then take place with great advantage in the present pressing system.
  • the workpiece comprises at least one first component and at least one second component.
  • the first component is formed by fibers, for example in the form of a fiber mesh, in particular a carbon fiber mesh, and the second component is in the form of a bedding matrix, in particular a resin.
  • the already mentioned prepregs for example, represent a mixture of these two components.
  • Prepregs are processed in large quantities in the aviation industry, for example.
  • One of the processing challenges is that the aerospace industry often requires very complex component geometries, for example due to reinforcement elements such as stringers.
  • the assembly effort is to be reduced, which is to be achieved by using fewer but larger components.
  • the combination of complex geometries and large component dimensions places increased demands on devices and processes for manufacturing these components.
  • One requirement, for example, is to ensure that pressure is applied evenly during the manufacture of the components.
  • the pressing system also includes a membrane, the membrane being connected to one of the pressing tools, a cavity for a working medium being formed between the membrane and the pressing tool connected to it.
  • a hydrostatic pressure acts on the workpiece during the pressing process, in other words the workpiece is reliably subjected to the same pressure in all areas. Fluctuations that can form in different areas can also occur be compensated by adding thickness tolerances of prepreg webs or panels arranged one on top of the other.
  • the membrane is also already pretensioned before the press is closed, it is ensured that the membrane already has a smooth surface at the beginning of the impact on the workpiece and is not first put under tension by the working medium in the cavity and thus “smoothly pulled”. " becomes. This has the advantage that the membrane acts evenly on the workpiece right from the start of the temperature and pressure effects.
  • the membrane is designed in such a way that its elongation curve also deviates by a maximum of 3.5% from the elongation curve of the workpiece during at least 97.5% of the elongation curve.
  • the membrane is designed in such a way that its expansion curve during at least 5.0% of the expansion curve is more than 5.0% of the expansion curve of the workpiece deviates.
  • the membrane should be as flat as possible in order to be able to quickly transfer temperature.
  • it can be designed to be temperature-controlled by the medium, in particular oil, stored at least temporarily in the cavity.
  • the membrane must be able to withstand high tensile loads, so that production from sheet steel with thicknesses between 0.9 mm and 4.2 mm, in particular between 1.5 mm and 3.0 mm, is preferred.
  • the surface of the membrane is transferred to a surface of the workpiece.
  • the membrane may be designed to be particularly smooth or structured according to a specific pattern that is repeated area by area, or to produce a specific individual image, for example in the form of a relief.
  • the membrane does not have to be particularly restricted with regard to its expansion behavior.
  • the pressing system has a pressing plane and that the membrane is movably arranged relative to the pressing tool connected to it, preferably with at least one directional component that preferably runs essentially parallel to the pressing plane.
  • the membrane preferably by subjecting the membrane to pressure and/or temperature, preferably by means of a working medium in the cavity, can be guided past the seal that seals it with respect to the pressing tool, and preferably that the membrane due to the its expansion force occurring within the pressing process, in particular temperature-induced expansion, is guided past the seal at least in sections.
  • At least the first pressing tool and/or at least the second pressing tool consists of a cast iron material with a nickel content between 36.0% and 48%, preferably between 37.5% and 47%, very preferably between 39.25% and 46%. includes, and in particular at least 90% by volume, %, in particular at least 98% preferably in one piece, is formed therefrom.
  • the cast iron material is cooled from the authentic crystal lattice and in the temperature range from -60°C to 440°C, especially in the temperature range from 0°C to 420°C, there is an extremely small change in volume and length (in the positive direction : Volume or linear expansion).
  • the cast iron material is, at least within the stated temperature ranges, largely in line with that of CFRP materials and can be adjusted precisely to individual CFRP material compositions depending on the precise definition of the nickel content to be selected within these limits.
  • the thermal conductivity of the cast iron material is significantly better than that of cast steel due to the precipitated carbon in the form of graphite, so that the component behaves more favorably in the thermal process.
  • volume change behavior of such a cast iron material can be adjusted very similarly to that of a GRP material and in particular to that of a CFRP material.
  • this applies not only to the absolute value related to a temperature difference to be overcome, for example given by a process, but also to the entire course of the change in length and/or volume, which is completely different from previous alloys produced for comparable purposes in other areas of application. This is the only way to achieve the goal of minimizing or preventing microscopic or macroscopic displacements within the workpiece structure that is being formed.
  • the alloy has significant advantages over a cast steel material alloy: Due to the precipitation of the dissolved carbon from the melt during the solidification process, a composite material is ultimately created with the cast iron. This precipitation process, which is associated with a change in volume in the material, has a favorable effect on the shrinkage behavior of cast iron compared to cast steel. This then leads to lower shrinkage behavior, and ultimately also to less shrinkage and the presence of a clearly more defined behavior - especially with regard to the course of the length or volume change behavior under the influence of temperature. In addition, components to be manufactured from it can be produced more easily in terms of process technology in solid quality, which ultimately also has an economic advantage.
  • a cast iron material enables a pressing tool to have significantly dampened vibration behavior compared to a cast steel material. This is particularly important because the cycle time in which a press system opens and closes again, but also the closing (and of course the opening time) can be decisive for an economically successful use of the press system.
  • the cast iron material further comprises 1.0% to 5.5%, preferably 1.5% to 4.0% carbon.
  • the cast iron material is very particularly preferably characterized as follows: cast iron material which contains at least the following percentages by weight as elements or as compounds of:
  • the cast iron material can also have a proportion of magnesium in the range from approx. 0.020% to 0.150%, preferably from approx. 0.040% to 0.100%, particularly preferably from approx. 0.065% to 0.090%.
  • the cast iron material can have a proportion of silicon in the range from approx. 1.0% to 4.5%, preferably from approx. 1.0% to 2.5%, particularly preferably from approx. 1.3% to 2.0% include %.
  • the pressing system for producing the workpiece preferably runs through a pressing cycle and the pressing cycle runs through a Temperature difference from 100 K to 500 K, preferably from 170 K to 450 K, most preferably from 190 K to 250 K.
  • This temperature window is sufficient and appropriate for most thermally controlled processes for the production of workpieces, in particular from CFRP or GFRP.
  • the working space is defined by a first spatial axis, a second spatial axis and a third spatial axis and at least in the direction of one of the spatial axes along a distance of at least 1.3 m, preferably at least 3.5 m, very preferably at least of 5 m, more preferably at least 8 m and most preferably at least 10.5 m.
  • a pressing tool for use in a press with a first pressing tool and a second pressing tool the first pressing tool and the second pressing tool being movable relative to one another to form a working space
  • the pressing tool being designed in such a way that it is equipped with a pressure generating device for generating a pressure profile acting on the workpiece located in the work space and a temperature generating device for generating a temperature profile acting on the workpiece located in the work space can be brought into operative connection
  • at least one object on which the invention is based is achieved in that the pressing tool for a pressing system according to one of claims 1 up to 11.
  • the pressing tool is not only intended for use in a press, but also for use in a pressing system.
  • a method for producing a workpiece comprising the following steps: providing a press with a pressure generating device and a temperature generating device; providing a workpiece (to be produced); placing the workpiece in a work area to form a press system; closing the press;
  • the workpiece undergoes a stretching process as a function of the pressure curve acting in the working space and the temperature curve acting in the working space, with the first pressing tool and the second pressing tool depending on the pressure in the working space acting pressure curve and the temperature curve acting in the working space go through a respective expansion curve and the first pressing tool and / or the second pressing tool, such are designed so that their elongation curve deviates by a maximum of 3.5% from the elongation curve of the workpiece during at least 97.5% of the elongation curve.
  • the workpiece to be formed in the form of several prepregs in a solid state of aggregation is placed in the press, in particular in the working space.
  • 1A a first embodiment of a press for carrying out a method according to the invention in cross section in the open position without an inserted workpiece
  • Fig. IC the press of Fig. 1A in the closed position
  • Fig. 2 Strain curves
  • Fig. 3 the sequence of a method according to the invention in a schematic
  • Fig. 1A shows a first embodiment of a press 1 for forming a pressing system 100 and for carrying out a method according to the invention for the production of a workpiece 19, in cross section in the open position without an inserted workpiece 19.
  • the press 1 comprises a first - upper - pressing tool 2 and a second - lower - pressing tool 3.
  • the two pressing tools 2, 3 can be moved relative to one another, for example in the vertical direction (Z-direction) (indicated by arrows in FIG. 1).
  • the press includes a membrane 4 which is connected to the upper pressing tool 2 .
  • the membrane 4 could also be connected to the lower pressing tool 3 .
  • a second membrane could also be provided in addition to the membrane, so that both the first and the second tool would be connected to a membrane. It would also be conceivable for a single membrane to be connected both to the first pressing tool 2 and to the second pressing tool 3 and for this purpose to be preferably deflected, for example by 180°.
  • the membrane 4 is made of metal and preferably has a thickness in the range between 0.05 mm and 3.5 mm, but preferably between 0.2 mm and 2.2 mm.
  • the cavity 5 can be filled with the working medium via a channel 6 . Bores 7 through which a heating and/or cooling medium can be conducted are provided both in the upper pressing tool 2 and in the lower pressing tool 3 .
  • a working space 8 is provided in the lower pressing tool 3, into which a workpiece 19 (not yet shown in FIG. 1A) can be inserted. Deviating from this, part of the working space can also be formed by the second pressing tool 3 . Since the workpiece 19 shown in Figure 1B and IC but preferably from a first component 24 and a second component 25, which are connected to one another during a pressing process within the working space 8 under the influence of pressure and temperature, it is advantageous if the free space provided for forming the working space 8 is provided in the lower pressing tool 3.
  • the two pressing tools 2, 3 have a guide 9, which can be formed, for example, by a projection 9A and a recess 9B, with the projection 9A being provided on the lower pressing tool 3 and the recess 9B being provided on the upper pressing tool 2 can.
  • Temperature generating device is indicated by arrows. Of course, it is preferred that the temperature generating device 23 also acts on both pressing tools 2 and 3, while the pressure generating device 22 automatically acts on all the components delimiting the working space 8 when the press is closed. In particular, the pressure generating device can also act on the cavity 5 delimited by the membrane 4, at least with part of its power.
  • the membrane 4 is connected to the upper die 2 in the following manner:
  • the upper die 2 has a peripheral rim member 10 which is bolted to the upper die 2 (the bolting is not shown in Figure 1A). Between the upper die 2 and its edge member
  • a clamping device 13 is provided, in which the membrane 4 is clamped.
  • the clamping device 13 is connected to a tie rod 14, which is led out through an opening in the upper pressing tool 2 and the edge element 10 and is pressed outwards there by a spring 15 supported on the outer surface, whereby the membrane 4 is provided with a pretension .
  • a seal 16 is provided in the gap 11, which allows the membrane 4 to move. Adjacent to the seal 16 is a device 17 for varying the sealing force FD intended.
  • a device 18 for changing the spring force FF is provided adjacent to the spring 15 .
  • FIG. 1B shows the press 1 from FIG. 1A in the open position with the workpiece 19 inserted.
  • Those areas of the press 1 which have already been described above are provided with corresponding reference symbols in FIG. 1B.
  • the difference from the position shown in FIG. 1A is that the workpiece 19 (to be formed) has been placed in the working space 8 of the lower pressing tool 3 .
  • the workpiece 19, which is preferably still to be formed, consists of a first component 24 and a second component 25, which are stacked on top of one another in a large number of thin layers in the form of so-called prepregs or organic sheets.
  • the individual prepregs have thicknesses of 0.12 mm to 0.72 mm, preferably 0.16 mm to 0.32 mm, and consist of fiber, in particular carbon fiber, meshes laid in a resin matrix.
  • the chemical connection between the matrix (resin) and the fibers or the fiber mesh is only completed within the pressing system 100, ie during a pressing cycle, under the influence of pressure and temperature.
  • Fig. IC shows the press 1 from Fig. 1A in the closed position.
  • Those areas of the press 1 which have already been described above are also provided with corresponding reference symbols in FIG.
  • the press 1 was closed by moving the two pressing tools 2, 3 towards one another.
  • the workpiece 19 is subjected to pressure and temperature.
  • Pressure is applied by a working medium, for example oil, being conducted through the channel 6 into the cavity 5 , as a result of which the membrane 4 is pressed in the direction of the workpiece 19 .
  • the cavity 5 can also already be filled with the working medium.
  • the working medium can be stored against a pressure-limiting valve in the cavity and already prestressed.
  • the pressure of the working medium can then increase within the cavity and thus also be exerted on the (forming) workpiece as a reaction.
  • the pressure of the working medium can then when closing the Press 1, Y, for example, from a preload range between 1.2 bar and 2.5 bar to a working range between 16 bar and 50 bar, in extreme cases even up to 70 bar and be held at this level for a press duration.
  • Temperature can be applied in different ways: One possibility is to heat the working medium conducted through the channel 6 into the cavity 5 so that the heat is transferred from the working medium in the cavity 5 through the membrane 4 to the workpiece 19 becomes. Conversely, the working medium could be cooled in order to cool the workpiece 19. As an alternative or in addition to this, it can be provided that a heating and/or cooling medium flows through the bores 7, as a result of which the two pressing tools 2, 3 and then also the workpiece 19 can be heated or cooled first. As a result of the pressure effect, the workpiece 19 is compressed in the position shown in FIG. 1C.
  • the pressing system 100 shown comprises: a press 1, with a first pressing tool 2 and a second pressing tool 3, the first pressing tool 2 and the second pressing tool 3 being movable relative to one another to form a working space 8, a workpiece 19, a pressure generating device 22, for Generation of a pressure curve acting on the workpiece 19 located in the working space 8, a
  • the press system 100 thus runs through a press cycle to produce the workpiece 19 .
  • the press cycle can run through a temperature difference of 100 K to 500 K, preferably from 170 K to 450 K, most preferably from 190 K to 250 K, acting in the working space 8, whereby during the entire press cycle it applies that the expansion curve DVP1, DVP2 during at least 97.5% of the elongation curve deviates from the elongation curve DVW of the workpiece 19 by a maximum of 3.5%.
  • the first pressing tool 2 and/or the second pressing tool 3 is preferably formed from a cast iron material that has a nickel content of between 36.0% and 48%, and in particular is formed from at least 90% by volume, preferably in one piece.
  • the cast iron material further comprises 1.0% to 5.5%, preferably 1.5% to 4.0% carbon and is preferably characterized as follows: cast iron material with at least the following percentages by weight as elements or as compounds of: carbon in the range of about 1.0% to 4.0%, silicon in the range of about 1.0% to 5.0%, manganese in the range of about 0.1% to 1.5%, nickel in the range of about 36.5% to 48.0%, chromium in the range of about 0.01% to 0.25%, phosphorus to about 0.08%,
  • the cast iron material can also have a proportion of magnesium in the range from approx. 0.020% to 0.150%, preferably from approx. 0.040% to 0.100%, particularly preferably from approx. 0.065% to 0.090%.
  • the cast iron material can have a proportion of silicon in the range from approx. 1.0% to 4.5%, preferably from approx. 1.0% to 2.5%, particularly preferably from approx. 1.3% to 2.0% include %.
  • the working space 8 of the press system 100 shown in Figures 1 A to IC and Figure 2 is defined by a first spatial axis X, a second spatial axis Y and a third spatial axis Z, and is at least in the direction of one of the spatial axes X, Y, Z along a Section L of at least 1.3 m, preferably at least 3.5 m, more preferably at least 5 m, more preferably at least 8 m and most preferably at least 10.5 m.
  • FIG. 2 the progression over time of a pressing cycle of the pressing system 100 is shown along the horizontal axis.
  • the amounts of strain are plotted over time along the vertical axis, resulting in the curves of strain curves DVM, DVW, DVP1 and DVP2, the values of which are dependent on the effects of the pressure curve and the temperature curve in the work space.
  • the pressing tools 2 and 3 experience the pressure and temperature curves acting in the working space, but at least the temperature curve acting in the working space only secondarily, since it is not one of the tasks of a pressing system 100 to thermally impinge on as many system parts as possible. From an ecological and economic point of view, this would be nonsense.
  • the elongation curves DVP1 and DVP2 of the two pressing tools 2 and 3 deviate by a maximum of 3.5% from the elongation curve of the workpiece 19 over at least 97.5% of their elongation curve.
  • the curves are practically exactly on top of each other practically continuously during the entire process cycle time and are therefore also shown on the same line in the further course of t.
  • FIG. 2 also clearly shows that the elongation curve of the membrane 4 during at least 7.5% of its elongation curve deviates by more than 5% from the elongation curve of the workpiece seen at the same point in time.
  • the expansion behavior of the membrane 4 is also much more linear.
  • the elongation curves of the workpiece and the pressing tools can also assume other curve shapes.
  • the decisive factor remains that the first pressing tool 2 and/or the second pressing tool 3 are designed in such a way that their elongation curve DVP1, DVP2 deviates by a maximum of 3.5% from the elongation curve DVW of the workpiece 19 during at least 97.5% of the elongation curve.
  • the sharper drop in the curves shown in the example shown depends on the rapid cooling of the selected pressing process. In principle, however, the heating and cooling rates can also be of equal value. In some cases it is also conceivable that the heating process is run faster than the cooling process. As shown, a holding part is normally provided between the heating and cooling process parts, in which pressure and temperature are kept at the same level.
  • the expansion behavior then generally adapts, but can creep in slightly and therefore assume a slightly rounded shape, which is also shown somewhat exaggerated.
  • FIG. 3 shows the sequence of a method 100 according to the invention in a schematic representation.
  • the method 100 comprises the following steps: 101: providing a press, 102: providing a workpiece, 103: inserting the workpiece, 104: closing the press, 105: subjecting the workpiece to pressure and/or temperature, 106: opening the press .
  • DVP1 Strain curve of the first press tool

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Presssystem (100) umfassend: - eine Presse (1,1´) mit einem ersten Presswerkzeug (2) und einem zweiten Presswerkzeug (3), wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) zur Ausbildung eines Arbeitsraumes (8) relativ zueinander bewegbar sind, - ein Werkstück (19) - eine Druckerzeugungseinrichtung (22) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Druckverlaufs - eine Temperaturerzeugungseinrichtung (23) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Temperaturverlaufs - wobei das Werkstück (19) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf (DVW) durchläuft - wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) durchlaufen das dadurch gekennzeichnet ist, dass das erste Presswerkzeug (2) und/oder das zweite Presswerkzeug (3), derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf (DVW) des Werkstücks (19) abweicht. Darin beschrieben ist ferner ein Presswerkzeug und ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks.

Description

Presssystem und Presswerkzeug für ein Presssystem, sowie Verfahren zur
Herstellung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Presssystem umfassend: eine Presse mit einem ersten Presswerkzeug und einem zweiten Presswerkzeug, wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug zur Ausbildung eines Arbeitsraumes relativ zueinander bewegbar sind, ein Werkstück eine Druckerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück wirkenden Druckverlaufs eine Temperaturerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück wirkenden Temperaturverlaufs wobei das Werkstück in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf durchläuft wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungs verlauf durchlaufen.
Die Erfindung betrifft zudem ein Presswerkzeug zum Einsatz in einer Presse.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks.
Presssysteme und Presswerkzeuge sind seit langem bekannt. Von einem Presssystem, einer Presse und einem Presswerkzeug spricht man im Gegenteil zu einem Gusssystem, einem Gusswerkzeug oder einer Gießvorrichtung immer dann, wenn das Presssystem wenigstens zwei gegeneinander bewegbar angeordnete Presswerkzeug umfasst beziehungsweise wenn die Presse zur Aufnahme wenigstens zwei gegeneinander bewegbar angeordneter Presswerkzeug geeignet ist, wobei sich durch Relativbewegung der wenigstens zwei Presswerkzeuge ein Arbeitsraum vergrößert oder verkleinert und wobei und der auf das zu bearbeitende Werkstück wirkende Druck unabhängig von einem Einfülldruck wenigstens einer Materialkomponente des Werkstücks ist.
Bestandteil eines Presssystems ist demnach im Gegensatz zur Presse an sich also auch das in der Presse zu herzustellende Werkstück, wobei im Sinne der Vorliegenden Schrift auch eine Bearbeitung eines Werkstücks unter dem Begriff „Herstellung“ verstanden werden soll.
Gattungsfremd gegenüber dem der Erfindung zu Grunde liegenden Presssystem, der Presse sowie dem Pressverfahren sind demzufolge Schleuderguss-, RTM- oder andere Verfahren und deren Anordnungen, bei denen wenigstens eine (Werkstoff-) Komponente des zu erzeugenden Werkstücks in flüssiger Form in den geschlossenen oder wenigstens im Wesentlichen geschlossenen Arbeitsraum eingebracht werden.
Gerade das RTM-Verfahren wird aber nach Stand der Technik in unterschiedlichen Varianten häufig für die Erzeugung von Werkstücken aus Faserverbundwerkstoffen, beispielsweise aus carbonfaserhaltigen Kompositwerkstoffen (CFK), verwendet, obwohl das RTM-Verfahren grundsätzlich wesentliche Nachteile gegenüber einem Pressverfahren aufweist. So bleiben unter Anderem die erzielbaren Ergebnisse hinsichtlich Homogenität, Qualität und Stabilität bei derartigen Verfahren weit hinter denen zurück, die mit einem Pressverfahren erzielbar wären.
Bei Faserverbundwerkstoffen handelt es sich um Verbundwerkstoffe, die im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten bestehen: aus verstärkenden Fasern sowie aus einem Kunststoff, in den die Fasern eingebettet sind („Matrix“ bzw. „Harz“). Durch die Kombination der beiden Hauptkomponenten kann erreicht werden, dass der Verbundwerkstoff insgesamt bessere Eigenschaften aufweist, als die beiden Komponenten allein betrachtet. Beispielsweise tragen die Fasern aufgrund ihrer hohen Zugfestigkeit in Faserrichtung dazu bei, die Zugfestigkeit des Verbundmaterials zu erhöhen. Die Matrix sorgt hingegen beispielsweise dafür, dass die Fasern in ihrer Position gehalten werden und vor mechanischen und chemischen Einflüssen geschützt werden.
Allerdings besteht bei Pressverfahren bisher das Problem, dass sich innerhalb der, aus dem herzustellenden Werkstück und der während des Pressvorgangs auf das Werkstück einwirkenden Presswerkezeuge, bestehenden Presssysteme unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten einstellen. Dieses Phänomen ist allgemein bekannt. Dem Fachmann ist bekannt, dass beim Auskühlen entweder das Presswerkzeug auf das Werkstück oder das Werkstück auf das Presswerkzeug aufschrumpft.
Da Verbundstoffe mit Carbonfaseranteilen, insbesondere Thermoplaste mit eingelagerten Carbonfasernetzen, z.B. CFK selbst aber extrem geringen Längen- bzw. Volumenausdehnungen aufweisen, (wobei z.T. starke Unterschiede in Richtung des Fasergelages oder winklig dazu, insbesondere orthogonal dazu, bestehen, was in deutlich abgeschwächter Form auch für Glasfaserkunststoffe GFK gilt) ist das Herstellen von Werkstücken aus CFK in einem Pressprozess besonders schwierig. Denn im Gegenzug zu ihrem extrem geringen thermischen Ausdehnungsverhalten, halten derartige Verbünde zumindest während ihres thermischen Herstellungs- oder Verarbeitungsprozesses dementsprechend auch kaum eine Zwangsdehnung aus, wenigstens nicht ohne ungewollte Änderungen ihrer für die spätere Anwendung so wichtigen Matrix. Zudem können ungewollte Lufteinschlüsse drohen, was die erzielbare Haltbarkeit wieder deutlich herabsetzt.
Insbesondere wenn in einem temperaturgeführten Verarbeitungsprozess so genannte „Prepregs“ oder „Orangobleche“ verarbeitet werden sollen, kann das thermische Ausdehnungsverhalten der Presswerkzeuge bzw. der Pressmatritzen leicht die maßgebende Grenze der Verarbeitungsmöglichkeiten darstellen, da die Presswerkzeuge bzw. die Pressmatritzen selber entsprechend Temperaturbeständig sein müssen. Zudem müssen sie wirtschaftlich nutzbar ausgeführt sein und entsprechend für hohe Standzeiten auslegt werden. Ferner müssen die Presswerkzeuge bzw. die Pressmatritzen in geeigneten Genauigkeiten herstellbar und ihre Oberflächen gut polierbar sein, sodass sie bisher praktisch ohne Alternative aus Stahl hergestellt werden.
Deshalb werden, wie oben bereits erwähnt, heute viele CFK-Bauteile nach wie vor in so genannten RTM-Verfahren gegossen, statt aus Prepregs gepresst zu werden, auch wenn dies die bereits zuvor beschriebenen Nachteile mit sich bringt.
Erfährt nämlich beispielsweise auch nur ein Presswerkzeug- oder Matrizenteil eine Längen- bzw. Volumenänderung die sich unterschiedlich zu der Längen- bzw. Volumenänderung der Prepregs bzw. Orangobleche oder allgemein des zu erzeugenden bzw. zu bearbeitenden Werkstücks verhält, folgt zwangsweise, dass wenigstens Trägerschichtanteile wenigstens arealweise, innerlich oder bis zu einer Oberfläche reichend Verschiebungen erfahren und in Folge dessen häufig auch wenigstens Strukturanteile zu Bruch gehen und damit nicht mehr die geplante Strukturfestigkeit erhalten können.
Dies ist insbesondere bei der Gestaltung von Großwerkstücken problematisch, da hier unterschiedliche Wandstärken kaum verhindern lassen und sich je nach Wandstärke arealweise unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten einstellen. Zudem ergeben sich bei Großwerkstücken entsprechend große wirksame Hebellängen. Ein Verzug von wenigen Zehntelgrad macht sich in einem Großwerkstück von bspw. über 3m oder gar über 5 m Länge, deutlich stärker störend bemerkbar als in einem Werkstück von normalen Abmaßen, mit maximalen Längen von wenigen Zentimetern bis etwa einem oder anderthalb Metern.
Es kann also sehr leicht zum Verziehen und zur Beschädigung von dem herzustellenden Werkstück kommen ln der Folge steigt die Ausschussrate oder der Nachbearbeitungsaufwand erhöht sich. Fallweise kann aber auch die Herstellung von, möglichst einstückigen, Großwerkstücken wegen Auftreten von strukturellen Beschädigungen durch sich einstellende Spannungen unmöglich sein.
Diese Problematik verstärkt sich umso mehr, je größer die maximale Länge(n) eines Großwerstücks betragen.
Um derartig große Bauteile überhaupt mit genügend gleichmäßigem Druck pressen zu können sind Pressvorrichtungen und -verfahren bekannt, die einseitig über eine Membran hydrostatischen Druck auf das , gegen ein festwerkzeug anliegendes Werkstück aufbringen.
Beispielhaft dazu sei dazu die aus der DE 102017 113 595 Al bekannte Vorrichtung und das Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoff benannt. Eine gleichmäßige Beaufschlagung des herzustehenden Bauteils mit Druck soll dadurch erreicht werden, dass eine flexible Membran auf das Bauteil einwirkt, wobei von der dem Bauteil abgewandten Seite der Membran ein Öldruck auf die Membran einwirkt. Die Membran wird also von einem Öldruck auf die Bauteiloberfläche gepresst. Auf diese Weise soll auch bei gekrümmten Bauteiloberflächen sichergesteht sein, dass der Öldruck allseitig wirkt und somit die von der Membran auf die Bauteiloberfläche wirkende Kraft an jeder Stehe gleich groß ist, insbesondere auch die orthogonal auf die Bauteiloberfläche einwirkende Kraftkomponente.
Die Verwendung einer derartigen „Membranpresse“ zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoff ist auch aus der US 2016/0297153 Al bekannt.
Eine Herausforderung des Einsatzes einer Membran hegt darin, dass die Membran während des gesamten Herstehvorgangs eine möglichst glatte Oberfläche aufzuweisen muss, um eine gleichmäßige Druckübertragung auf die Bauteiloberfläche zu gewährleisten. Gleichzeitig muss die Membran gegenüber der Kavität, in der der Öldruck aufgebaut wird, zuverlässig abgedichtet sein, aber gleichwohl beweglich gelagert sein, um auch bei thermisch bedingter Expansion oder Kontraktion ihre glatte Oberfläche beizubehalten.
Dennoch bleibt auch bei derartigen Pressvorrichtungen, - verfahren oder -Systemen bisher das grundsätzliche Problem von sich innerhalb des Presssystems unterschiedlich einstellenden thermischen Ausdehnungsverhalten, insbesondere des oder der Presswerkzeuge gegenüber dem oder den Werkstücken, ungelöst.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Presssystem bereitzustellen, mit dem qualitativ hochwertige Werkstücke in thermisch geführten Pressvorgängen herstellbar sind.
Insbesondere sollen Qualitätseinbußen Werkstücke mit hoher struktureller Festigkeit auch dann hergestellt werden können, wenn die Werkstücke aus Werkstoffen und/oder Werkstoffgemischen hergestellt werden sollen, die besonders geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Zudem sollen Beschädigungen im strukturellen Aufbau des herzustellenden Werkstücks vermieden oder zumindest verringert werden.
Wenigstens eine dieser Aufgaben wird bei einem Presssystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks ab weicht.
Dabei entspricht der Dehnungsverlauf dem Dehnungsbetrag aufgetragen über einen Zeitraum. Die Erfindung geht also abweichend von bisherigen Ansätzen nicht davon aus, lediglich die maximalen Beträge thermisch bedingter Dehnungen zwischen zwei mit einander agierenden Materialien, hier also dem Presswerkzeugmaterial und dem Werkstückmaterial, zu vergleichen, sondern deren Verläufe und diese in engem Maße von maximal 3,5% temporär anliegendem Unterschied zu begrenzen.
Die Erfinder haben nämlich erkannt, dass nicht die Anpassung der maximalen Dehnungsbeträge zielführend ist, da das Dehnungsverhalten von verschiedenen Werkstoffen, insbesondere von Kompositwerkstoffen, eben nicht linear ist.
Zudem besteht ein allgemein verbreiteter Irrtum darin, dass das Dehnungsverhalten allein werkstoffabhängig sei.
Erfindungsgemäß ist demnach das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht, wobei die Abweichung vom Dehnungsverlauf der Abweichung des Dehnungsbetrages zum selben Zeitpunkt innerhalb eines, dann vorzugsweise durch den Pressprozess definierten, Zeitraums entspricht.
Die Dehnungen bzw. Dehnungsverläufe der Presswerkzeuge sowie des Werkstücks können während des Pressvorgangs direkt (messtechnisch) oder auch indirekt (rechnerisch/simulativ) ermittelt werden. Für die messtechnische Ermittlung können berührende oder berührungslose Messverfahren eingesetzt werden, beispielsweise optische Messverfahren mit Bildverarbeitung und Bildauswertung. Bei der rechnerischen Ermittlung sind hingegen Messgrößen zu erfassen, aus denen rechnerisch unter Berücksichtigung bekannter Koeffizienten der Dehnungsverlauf ermittelt wird. Zu diesen Messgrößen zählt insbesondere die Temperatur bzw. der Temperaturverlauf und/oder der Druck bzw. der Druckverlauf. Auch diese Messgrößen können berührend oder berührungslos (z.B. Temperaturermittlung durch Messung von Infrarotstrahlung) ermittelt werden. Zu den relevanten Koeffizienten zählt insbesondere der Dehnungskoeffizient, der vom verwendeten Material abhängt. Weiterhin können Faktoren wie das Volumen eines Bauteils, die Oberfläche eines Bauteils, die Temperaturaufnahmefähigkeit eines Bauteil und Formkoeffizienten bei der rechnerischen Ermittlung genutzt werden. Bei der Ermittlung der Temperatur der Presswerkezeuge sowie des Werkstücks kann auch die ermittelte Temperatur eines das Presssystem durchströmenden Kühl- oder Heizmediums genutzt werden, wenn dazwischen eine Wärmeübertragung bzw. ein Wärmetransport stattfindet. Um die Dehnungen bzw. Dehnungsverläufe der Presswerkzeuge sowie des Werkstücks möglichst präzise zu bestimmen, sollten möglichst hochfrequente Mess- und/oder Berechnungsverfahren eingesetzt werden. Die gemessenen bzw. ermittelten Dehnungsverläufe können zur Regelung derselben genutzt werden, indem beispielsweise die Temperatur während des Pressvorgangs angepasst wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Dehnungsverlauf des ersten Presswerkzeuges und des zweiten Presswerkzeuges während wenigstens 98,0% des Dehnungsverlaufs nur um maximal 3,0% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks oder sogar während wenigstens 98,5% des Dehnungsverlaufs um nur maximal 2,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Ein derartiges Presssystem ist also unter anderem besonders gut für die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen basiert auf der Verwendung von vorgefertigten Faser-Harz-Halbzeugen (sog. „Prepregs“, Kurzform von „preimpregnated fibers“) geeignet. Bei derartigen Halbzeugen sind die Fasern mit einem noch nicht fertig reagierten Harzsystem versehen, so dass die Halbzeuge noch in flexibler Form vorliegen (z.B. bahnförmig, auf Rollen oder plattenförmig). Erst bei der Herstellung der Bauteile werden die Prepregs umgeformt und bei hohem Druck und hohen Temperaturen durch die Vollendung der chemischen Reaktion ausgehärtet. Dieser Schritt kann dann mit großem Vorteil in dem vorliegenden Presssystem erfolgen.
Dementsprechend ist es bevorzugt, dass das Werkstück wenigstens eine erste Komponente und wenigstens eine zweite Komponente umfasst.
Auf diese Weise lassen sich besonders stabile Werkstücke erzeugen und die Vorteile des Presssystems lassen sich auch dann nutzen, wenn nur eine der beiden Werkstoffkomponenten üblicherweise sensibel auf Dehnungsabweichungen reagiert. Von besonderem Vorteil ist es, wenn sich die erste Komponente und die zweite Komponente während eines Pressprozesses innerhalb des Arbeitsraumes unter Einwirkung von Druck und Temperatur miteinander verbinden.
So lassen sich Werkstücke von besonders hoher Qualität erzeugen, wobei durch den Einsatz des vorliegenden Presssystems keine in der Praxis wirksamen Verschiebungen, Schwächungen, Überdehnungen mehr zu befürchten sind. Dies gilt insbesondere, wenn die erste Komponente durch Fasern, bspw. in Form eines Fasergeflechts, insbesondere eine Carbonfasergeflechts und die zweite Komponente in Form einer Bettungsmatrix, insbesondere einem Harz, ausgebildet sind.
Ein Gemenge von diesen beiden Komponenten stellen beispielsweise die bereits angesprochenen Prepregs dar.
Prepregs werden beispielsweise in der Luftfahrtindustrie in großen Mengen verarbeitet. Eine Herausforderung bei der Verarbeitung liegt darin, dass in der Luftfahrtindustrie häufig sehr komplexe Bauteilgeometrien erforderlich sind, beispielsweise aufgrund von Verstärkungselementen wie Stringern. Zudem soll der Montageaufwand verringert werden, was durch die Verwendung weniger, aber dafür größerer Bauteile erreicht werden soll. Die Kombination aus komplexen Geometrien und großen Bauteildimensionen stellt erhöhte Anforderungen an Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung dieser Bauteile. Eine Anforderung besteht beispielsweise darin, bei der Herstellung der Bauteile eine gleichmäßige Beaufschlagung mit Druck zu gewährleisten.
Deshalb ist es auch von besonderem Vorteil, wenn das Presssystem ferner eine Membran umfasst, wobei die Membran mit einem der Presswerkzeuge verbunden ist, wobei sich zwischen der Membran und dem mit ihr verbundenen Presswerkzeug eine Kavität für ein Arbeitsmedium ausbildet ist.
Dadurch wirkt im Pressvorgang ein hydrostatischer Druck auf das Werkstück, mit anderen Worten wird das Werkstück zuverlässig in allen Bereichen mit demselben Druck beaufschlagt. Dabei können auch sich arealweise ausbildende Schwankungen durch Addierung von Stärketoleranzen übereinander angeordneter Prepregbahnen oder -platten ausgeglichen werden.
Ist die Membran zudem bereits vor dem Schließen der Presse vorgespannt, wird sichergestellt, dass die Membran bereits zu Beginn der Einwirkung auf das Werkstück eine glatte Oberfläche aufweist und nicht erst durch den von dem in der Kavität befindlichen Arbeitsmedium unter Spannung gesetzt und somit „glatt gezogen“ wird. Dies hat den Vorteil, dass bereits zu Beginn der Temperatur- und Druckeinwirkung eine gleichmäßige Einwirkung der Membran auf das Werkstück erfolgt.
Entsprechend wenigstens einem Teil der bereits zuvor genannten Vorteile ist es in einigen Fällen bevorzugt, wenn die Membran derart gestaltet ist, dass ihr Dehnungs verlauf ebenfalls während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Da dadurch aber die Gestaltungsmöglichkeiten der Membran stark eingeschränkt sind, kann es in anderen Fällen wiederum bevorzugt sein, wenn die Membran derart gestaltet ist, dass ihr Dehnungsverlauf während wenigstens 5,0 % des Dehnungs Verlaufs um mehr als 5,0% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Bei der Gestaltung der Membran müssen nämlich viele Gesichtspunkte beachtet werden. So soll die Membran einerseits möglichst flach ausgebildet sein, um Temperatur rasch weiterleiten zu können. Dazu kann sie durch das in der Kavität, wenigstens temporär eingelagerte, Medium, insbesondere Öl, temperierbar gestaltet sein. Zudem muss die Membran aber hohe Zugbelastungen aushalten können, sodass eine Fertigung aus einem Stahlblech, mit Stärken zwischen 0,9 mm und 4,2 mm, insbesondere zwischen 1,5 mm und 3,0 mm bevorzugt sind.
Zudem überträgt sich die Oberfläche der Membran auf eine Oberfläche des Werkstücks. Dazu kann es gewünscht sein, dass die Membran besonders glatt oder nach einem bestimmten, sich arealweise wiederholenden Muster oder zur Erzeugung eines bestimmten Einzelbildes, bspw. in Form eines Reliefs, strukturiert gestaltet ist. Zudem kann es fallweise gewünscht sein, dass die Membran magnetisch ausgelegt sein muss.
Um hier ausreichend Gestaltungsmöglichkeiten zu haben, ist es dann wünschenswert, wenn die Membran hinsichtlich ihres Dehnungsverhaltens nicht besonders eingeschränkt werden muss.
Stattdessen kann es mit Vorteil vorgesehen sein, dass das Presssystem eine Pressebne aufweist und dass die Membran gegenüber dem mit ihr verbundenen Presswerkzeug, vorzugsweise mit wenigstens einer, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Pressebene verlaufenden, Richtungskomponente, bewegbar angeordnet ist.
Dazu kann es mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Membran, vorzugsweise unter Beaufschlagen der Membran mit Druck und/oder Temperatur, vorzugsweise mittels eines Arbeitsmediums in der Kavität, an der sie gegenüber dem Presswerkzeug abdichtenden Dichtung vorbeiführbar ist und vorzugsweise dass die Membran aufgrund der mit ihrer, innerhalb des Pressvorgangs auftretenden, insbesondere temperaturinduzierten, Dehnung in Zusammenhang stehenden Ausdehnungskraft wenigstens abschnittsweise an der Dichtung vorbeigeführt wird.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens das erste Presswerkzeug und/oder wenigstens das zweite Presswerkzeug einen Gusseisenwerkstoff mit einem Nickelgehalt zwischen 36,0 % und 48 %, vorzugsweise zwischen 37,5 % und 47 %, ganz vorzugsweise zwischen 39,25 % und 46% umfasst, und insbesondere zu wenigstens 90% Volumenanteil, %, insbesondere wenigstens 98% vorzugsweise einstückig, daraus gebildet ist.
Das hat den Vorteil, dass der Gusseisenwerkstoff aus dem authentischen Kristallgitter abgekühlt wird und im Temperaturbereich von -60°C bis 440°C, insbesondere im Temperaturbereich von 0°C bis 420°C eine äußerst geringe Volumen- und Längenänderung, (in positiver Richtung: Volumen- bzw. Längenausdehnung) aufweist. Weiter ist von Vorteil, dass das Volumenänderungsverhalten eines derartigen Gusseisenwerkstoffs sich wenigstens innerhalb der genannten Temperaturbereiche, weitgehend im gleichklag mit dem von CFK-Werkstoffen befindet und abhängig von der genauen Festlegung des in diesen Grenzen zu wählenden Nickelgehalts genau auf einzelne CFK-Werkstoffzusammensetzungen abstellbar ist. Zudem ist bei Gusseisenwerkstoff die Wärmeleitfähigkeit auf Grund des ausgeschiedenen Kohlenstoffs in Form von Graphit deutlich besser als bei Stahlguss, sodass ein günstigeres Verhalten des Bauteils im thermischen Prozess gegeben ist.
Von ganz besonderem Vorteil ist es dabei, dass das Volumenänderungsverhalten Eines derartigen Gusseisenwerkstoffs sehr ähnlich zu dem eines GFK-Werkstoffs und insbesondere zu dem eines CFK-Werkstoffs einstellbar ist. Überraschenderweise gilt dies nicht nur für den absoluten Wert bezogen auf eine zu überwindende, beispielsweise durch einen Prozess vorgegebene, Temperaturdifferenz sondern völlig anders als bei bisherigen für vergleichbare Zwecke hergestellten Legierungen anderer Anwendungsgebiete auch für den gesamten Verlauf des der Längen- und/oder Volumenänderung. Nur so ist nämlich das Ziel erreichbar, mikroskopische oder makroskopische Verschiebungen innerhalb der sich bildenden Werkstückstruktur zu minimieren bzw. zu verhindern.
Zudem weist die Legierung als Gusseisenwerkstoff gegenüber einer Stahlgusswerkstofflegierung wesentliche Vorteile auf: Durch die Ausscheidung des gelösten Kohlenstoffs aus der Schmelze während des Erstarrungsprozesses entsteht mit dem Gusseisen letztlich ein Kompositwerkstoff. Durch diesen Ausscheidungsprozess, der mit einer Volumenänderung im Material verbunden ist wird das Schwindungsverhalten des Gusseisens gegenüber dem Stahlguss günstig beeinflusst. Dies führt dann in der Folge zu einem geringeren Schwindungsverhalten, damit letztlich auch zu geringerer Lunkerbildung und dem Vorliegen eines in sich - vor Allem mit Hinblick auf den Verlauf des Längen- oder Volumenänderungsverhaltens unter Temperatureinfluss - deutlich definiteren Verhaltens. Zudem sind daraus herzustellenden Bauteile prozesstechnisch einfacher in solider Qualität erzeugbar, was letztlich auch einen wirtschaftlichen Vorteil beinhaltet. Gleichzeitig ist oftmals keine weitere Wärmebehandlung notwendig, ganz im Gegenteil zu Stahlguss, der regelmäßig einer, dem ursprünglichen Erstarrungsprozess, nachfolgenden Wärmebehandlung zu unterziehen ist, was insbesondere bei großen Bauteilen, bespielsweise bei Presswerkzeugen für große Werkstücke, nicht zuletzt erhebliche wirtschaftliche Vorteile bietet.
Wichtig ist zudem, dass ein Gusseisenwerkstoff im Vergleich zu einem Stahlgusswerkstoff ein erheblich gedämpfteres Schwingungsverhalten eines Presswerkzeugs ermöglicht. Dies ist besonders wichtig, da die Taktzeit in der ein Presssystem öffnet und wieder schließt, aber auch die Schließ- (und selbstverständlich die Öffnungszeit) für einen wirtschaftlich erfolgreichen Einsatz des Presssystems entscheidend sein können.
Mit darauf gerichtetem Blick ist es deshalb auch besonders bevorzugt, dass der Gusseisenwerkstoff weiter 1,0 % bis 5,5 %, vorzugsweise 1,5 % bis 4,0 % Kohlenstoff umfasst.
Ganz besonders bevorzugt ist der Gusseisenwerkstoff wie folgt charakterisiert: Gusseisenwerkstoff, der zumindest folgende Anteile in Gewichtsprozent als Elemente oder als Verbindungen von:
Kohlenstoff im Bereich von ca. 1,0% bis 4,0%, Silizium im Bereich von ca. 1,0% bis 5,0%, Mangan im Bereich von ca. 0,1% bis 1,5%, Nickel im Bereich von ca. 36,5% bis 48,0%, Chrom im Bereich von ca. 0,01% bis 0,25%, Phosphor bis ca. 0,08%,
Kupfer bis ca. 0,5%, Magnesium bis ca. 0,15%, umfasst, wobei der Rest Eisen umfasst. Der Gusseisenwerkstoff kann zudem einen Anteil von Magnesium im Bereich von ca. 0,020% bis 0,150%, bevorzugt von ca. 0,040% bis 0,100%, besonders bevorzugt von ca. 0,065% bis 0,090% aufweisen. Weiter kann der Gusseisenwerkstoff einen Anteil von Silizium im Bereich von ca. 1,0% bis 4,5%, bevorzugt von ca. 1,0% bis 2,5%, besonders bevorzugt von ca. 1,3% bis 2,0% umfassen.
Bevorzugter Weise durchläuft das Presssystem zur Herstellung des Werkstücks einen Presszyklus und der Presszyklus einen, im Arbeitsraum wirkenden, Temperaturunterschied von 100 K bis 500 K, vorzugsweise von 170 K bis 450 K, ganz vorzugsweise von 190 Kbis 250 K.
Der Presszyklus, der neben dem eigentlichen Pressvorgang auch das Offen und Schließen der Presse umfasst, soll also zumindest einmal einen Temperaturunterschied von mindestens 100 K (1K = 1 Grad Kelvin) durchlaufen. Der Temperaturunterschied soll jedoch 500 K nicht überschreiten.
Der genannte Bereich, aber auch die innerhalb dieses Bereichs bevorzugten Bereiche sollen dabei im Allgemeinen von einer, je nach Jahreszeit und Ortsumgebung herrschenden Umgebungs- bzw. Raumtemperatur, normalerweise also ab -20°C bis ab +45°C ihren Ausgangspunkt haben.
Dieses Temperaturfenster ist für die meisten thermisch geführten Prozesse zur Herstellung von Werkstücken, insbesondere aus CFK, oder GFK, ausreichend und angemessen.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Arbeitsraum durch eine erste Raumachse, eine zweite Raumachse und eine dritte Raumachse definiert ist und wenigstens in Richtung einer der Raumachsen entlang einer Strecke von wenigstens 1,3 m, vorzugsweise wenigstens 3,5 m, ganz vorzugsweise wenigstens von 5 m, weiter bevorzugt von wenigstens 8 m und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 10,5 m ausgebildet ist.
Auf diese Weise lassen sich Werkstücke mit großen Baulängen, bspw. Karrosserieteile für Fahrzeuge, insbesondere PKW, LKW, Luftfahrzeuge, Boote und Schiffe, aber auch Rotorblätter für Windkraftanlagen oder ähnlich große Werkstücke hersteilen.
Bei großen Werkstücken kommen die genannten Vorteile des Presssystems ganz besonders stark zum Tragen. Bei einem Presswerkzeug zum Einsatz in einer Presse mit einem ersten Presswerkzeug und einem zweiten Presswerkzeug, wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug zur Ausbildung eines Arbeitsraumes relativ zueinander bewegbar sind, und wobei das Presswerkzeug derart gestaltet ist, dass es mit einer Druckerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück wirkenden Druckverlaufs und einer Temperaturerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum befindliche Werkstück wirkenden Temperaturverlaufs in Wirkverbindung bringbar ist, wird wenigstens eine der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass das Presswerkzeug für ein Presssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgelegt ist.
Die damit verbundenen Vorteile sind für den Fachmann aus dem das Presssystem beschreibenden Teil der vorliegenden Patentanmeldung ersichtlich und gelten hier sinngemäß. Selbstverständlich ist das Presswerkzeug also nicht nur zum Einsatz in einer Presse, sondern auch zum Einsatz in einem Presssystem vorgesehen.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer eine Presse mit einer Druckerzeugungseinrichtung und einer Temperaturerzeugungseinrichtung; Bereitstellen eines (zu erzeugenden) Werkstücks; Einlegen des Werkstücks in einen Arbeitsbereich zur Bildung eines Presssystems; Schließen der Presse;
Beaufschlagen des Werkstücks mit Druck und/oder Temperatur; Öffnen der Presse; Wird wenigstens eine der der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe dadurch gelöst, dass das Werkstück in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungs verlauf durchläuft, wobei das erste Presswerkzeug und das zweite Presswerkzeug in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf durchlaufen und das erste Presswerkzeug und/oder das zweite Presswerkzeug, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf während wenigstens 97,5% des D ehnungs Verlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks abweicht.
Dabei ist es bevorzugt, dass zur Durchführung des Verfahrens ein Presssystem nach einem der zugehörigen Ansprüche verwendet wird.
Ferner ist dabei bevorzugt, dass das zu bildende Werkstück in Form von mehreren Prepregs in einem festen Aggregatzustand in die Presse, insbesondere in den Arbeitsraum eingelegt wird.
Die die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder seinen bevorzugten Ausgestaltungen verbundenen Vorteile sind für den Fachmann aus dem das Presssystem beschreibenden Teil der vorliegenden Patentanmeldung ersichtlich und gelten hier sinngemäß.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert ln der Zeichnung zeigen:
Fig. 1A: eine erste Ausgestaltung einer Presse zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Querschnitt in geöffneter Stellung ohne eingelegtes Werkstück,
Fig. 1B: die Presse aus Fig. 1A in geöffneter Stellung mit eingelegtem Werkstück,
Fig. IC: die Presse aus Fig. 1A in geschlossener Stellung,
Fig. 2: D ehnungs Verläufe Fig. 3: den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer
Darstellung.
Fig. 1A zeigt eine erste Ausgestaltung einer Presse 1 zur Bildung eines Presssystems 100 und zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkstücks 19, im Querschnitt in geöffneter Stellung ohne eingelegtes Werkstück 19. Die Presse 1 umfasst ein erstes - oberes - Presswerkzeug 2 sowie ein zweites - unteres - Presswerkzeug 3. Die beiden Presswerkzeuge 2, 3 sind relativ zueinander bewegbar, beispielsweise in vertikaler Richtung (Z-Richtung) (in Fig. 1 angedeutet durch Pfeile). Zudem umfasst die Presse eine Membran 4, die mit dem oberen Presswerkzeug 2 verbunden ist. Alternativ zu der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung könnte die Membran 4 auch mit dem unteren Presswerkzeug 3 verbunden sein. In weiterer alternativer Ausgestaltung könnte neben der Membran auch eine zweite Membran vorgesehen sein, sodass sowohl das erste, wie auch das zweite Werkzeug mit einer Membran verbunden wären. Ferner wäre denkbar, dass eine einzige Membran sowohl mit dem ersten Presswerkzeug 2, wie auch mit dem zweiten Presswerkzeug 3 verbunden und dazu vorzugsweise umgelenkt, bspw. um 180°, angeordnet wäre.
Zwischen der Membran 4 und dem mit ihr verbundenen oberen Presswerkzeug 2 bildet sich eine Kavität 5 für ein Arbeitsmedium, beispielsweise Öl. Die Membran 4 ist aus Metall hergestellt und weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich zwischen 0,05 mm und 3,5 mm, vorzugsweise aber zwischen 0,2 mm und 2,2 mm auf. Die Kavität 5 kann über einen Kanal 6 mit dem Arbeitsmedium befüllt werden. Sowohl in dem oberen Presswerkzeug 2 als auch in dem unteren Presswerkzeug 3 sind Bohrungen 7 vorgesehen, durch die ein Heiz- und/oder Kühlmedium geleitet werden kann.
Bei der in Fig. 1A gezeigten Ausgestaltung der Presse 1 ist in dem unteren Presswerkzeug 3 ein Arbeitsraum 8 vorgesehen, in den ein (in Fig. 1A noch nicht gezeigtes) Werkstück 19 eingelegt werden kann. Abweichend dazu kann auch ein Teil des Arbeitsraumes durch das zweite Presswerkzeug 3 gebildet sein. Da das in Figur 1B und IC dargestellte Werkstück 19 aber vorzugsweise aus einer ersten Komponente 24 und einer zweiten Komponente 25 gebildet sein soll, die während eines Pressprozesses innerhalb des Arbeitsraumes 8 unter Einwirkung von Druck und Temperatur miteinander verbunden werden, ist es vorteilhaft, wenn der zur Ausbildung des Arbeitsraums 8 vorgesehene Freiraum im unteren Presswerkzeug 3 vorgesehen ist.
Die beiden Presswerkzeuge 2, 3 weisen eine Führung 9 auf, die beispielsweise durch einen Vorsprung 9A und eine Ausnehmung 9B gebildet sein kann, wobei der Vorsprung 9A an dem unteren Presswerkzeug 3 vorgesehen sein kann und wobei die Ausnehmung 9B an dem oberen Presswerkzeug 2 vorgesehen sein kann.
Das Einwirken der Druckerzeugungseinrichtung 22 sowie der
Temperaturerzeugungseinrichtung ist durch Pfeile angedeutet. Selbstverständlich ist es bevorzugt, dass auch die Temperaturerzeugungseinrichtung 23 auf beide Presswerkzeuge 2 und 3 einwirkt, während sich die Druckerzeugungseinrichtung 22 bei geschlossener Presse automatisch auf alle, den Arbeitsraum 8 begrenzenden Bauteile auswirkt. Insbesondere kann die Druckerzeugungseinrichtung, wenigstens mit einem Teil ihrer Leistung, auch auf die, durch die Membran 4 begrenzte Kavität 5 einwirken.
Die Membran 4 ist mit dem oberen Presswerkzeug 2 auf die folgende Weise verbunden: Das obere Presswerkzeug 2 weist ein umlaufendes Randelement 10 auf, das mit dem oberen Presswerkzeug 2 verschraubt ist (die Verschraubung ist in Fig. 1A nicht dargestellt). Zwischen dem oberen Presswerkzeug 2 und seinem Randelement
10 bildet sich ein Spalt 11, durch den die Membran 4 hindurch geführt wird. Der Spalt
11 mündet in einen Hohlraum 12, in dem eine Klemmeinrichtung 13 vorgesehen ist, in die die Membran 4 eingeklemmt ist. Die Klemmeinrichtung 13 ist mit einem Zuganker 14 verbunden, der durch eine Öffnung aus dem oberen Presswerkzeug 2 und dem Randelement 10 herausgeführt wird und dort durch eine sich an der Außenfläche abstützende Feder 15 nach außen gedrückt wird, wodurch die Membran 4 mit einer Vorspannung versehen wird. Zur Abdichtung der Kavität 5 ist in dem Spalt 11 eine Dichtung 16 vorgesehen, die eine Bewegung der Membran 4 erlaubt. Angrenzend an die Dichtung 16 ist eine Einrichtung 17 zur Veränderung der Dichtungskraft FD vorgesehen. Angrenzend an die Feder 15 ist eine Einrichtung 18 zur Veränderung der Federkraft FF vorgesehen.
Fig. 1B zeigt die Presse 1 aus Fig. 1A in geöffneter Stellung mit eingelegtem Werkstück 19. Diejenigen Bereiche der Presse 1, die bereits zuvor beschrieben worden sind, sind in Fig. 1B mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zu der in Fig. 1A gezeigten Stellung liegt darin, dass das (zu bildende) Werkstück 19 in den Arbeitsraum 8 des unteren Presswerkzeugs 3 eingelegt worden ist.
Dabei besteht das vorzugsweise noch zu bildende Werkstück 19 aus einer ersten Komponente 24 und einer zweiten Komponente 25, die in Form von so genannten Prepregs oder Organoblechen in einer Vielzahl von dünnen Lagen übereinandergestapeltsind. Die einzelnen Prepregs weisen dabei Stärken von 0,12 mm bis 0,72 mm, bevorzugt 0,16 mm bis 0,32 mm auf und bestehen aus in eine Matrix aus Harz eingelegten Faser-, insbesondere Carbonfaser-, Geflechten. Die chemische Verbindung zwischen der Matrix (Harz) und den Fasern, bzw. dem Fasergeflecht, wird dabei erst innerhalb des Presssystems 100, also während eines Presszyklus, unter Einwirkung von Druck und Temperatur abgeschlossen.
Fig. IC zeigt die Presse 1 aus Fig. 1A in geschlossener Stellung. Diejenigen Bereiche der Presse 1, die bereits zuvor beschrieben worden sind, sind auch in Fig. IC mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Presse 1 wurde geschlossen, indem die beiden Presswerkzeuge 2, 3 aufeinander zu bewegt worden sind ln der in Fig. IC gezeigten Stellung wird das Werkstück 19 mit Druck und Temperatur beaufschlagt. Die Beaufschlagung mit Druck erfolgt, indem ein Arbeitsmedium, beispielsweise Öl, durch den Kanal 6 in die Kavität 5 geleitet wird, wodurch die Membran 4 in Richtung des Werkstücks 19 gepresst wird. Alternativ kann die Kavität 5 aber auch bereits mit dem Arbeitsmedium gefüllt sein. Dabei kann das Arbeitsmedium gegen ein Druckbegrenzungsventil in der Kavität gelagert und bereits vorgespannt sein. Beim Schließen der Presse kann sich dann der Druck des Arbeitsmediums innerhalb der Kavität erhöhen und damit in Reaktion auch auf das (sich bildende) Werkstück ausgeübt werden. Der Druck des Arbeitsmediums kann dann beim Schließen der Presse 1, Y beispielsweise aus einem Vorspannungsbereich zwischen 1,2 bar und 2,5 bar auf einen Arbeitsbereich zwischen 16 bar und 50 bar, in Extremfällen sogar bis 70 bar ansteigen und in diesem Level für eine Pressdauer gehalten werden.
Die Beaufschlagung mit Temperatur kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: Eine Möglichkeit besteht darin, das durch den Kanal 6 in die Kavität 5 geleitete Arbeitsmedium zu erhitzen, so dass die Wärme von dem in der Kavität 5 befindlichen Arbeitsmedium durch die Membran 4 auf das Werkstück 19 übertragen wird. Umgekehrt könnte das Arbeitsmedium gekühlt werden, um das Werkstück 19 zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann vorgesehen sein, dass die Bohrungen 7 von einem Heiz- und/oder Kühlmedium durchströmt werden, wodurch zunächst die beiden Presswerkzeuge 2, 3 und anschließend auch das Werkstück 19 aufgeheizt oder abgekühlt werden können. Infolge der Druckeinwirkung ist das Werkstück 19 in der in Fig. IC gezeigten Stellung komprimiert.
Das dargestellte Presssystem 100 umfassend: eine Presse 1, mit einem ersten Presswerkzeug 2 und einem zweiten Presswerkzeug 3, wobei das erste Presswerkzeug 2 und das zweite Presswerkzeug 3 zur Ausbildung eines Arbeitsraumes 8 relativ zueinander bewegbar sind, ein Werkstück 19, eine Druckerzeugungseinrichtung 22, zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum 8 befindliche Werkstück 19 wirkenden Druckverlaufs, eine
Temperaturerzeugungseinrichtung 23 zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum 8 befindliche Werkstück 19 wirkenden Temperaturverlaufs, wobei das Werkstück 19 in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum 8 wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum 8 wirkenden Temperaturverlauf einen in Figur 2 dargestellten Dehnungs verlauf DVW durchläuft, wobei das erste Presswerkzeug 2 und das zweite Presswerkzeug 3 in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum 8 wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen, ebenfalls in Figur 2 dargestellten Dehnungsverlauf DVP1, DVP2 durchlaufen, ist hier dadurch charakterisiert, das erste Presswerkzeug 2 und/oder das zweite Presswerkzeug 3, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf DVP1, DVP2 wie in Figur 2 ersichtlich während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungs verlauf DVW des Werkstücks 19 abweicht. Das Presssystem 100 durchläuft zur Herstellung des Werkstücks 19 dabei also einen Presszyklus. Der Presszyklus kann dabei einen, im Arbeitsraum 8 wirkenden, Temperaturunterschied von 100 K bis 500 K, vorzugsweise von 170 K bis 450 K, ganz vorzugsweise von 190 Kbis 250 K durchlaufen, wobei während des gesamten Presszyklus gilt, dass der Dehnungsverlauf DVP1, DVP2 während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf DVW des Werkstücks 19 abweicht.
Dazu ist das erste Presswerkzeug 2 und/oder das zweite Presswerkzeug 3 vorzugsweise aus einem Gusseisenwerkstoff gebildet, der einen Nickelgehalt zwischen 36,0 % und 48 %, umfasst, und insbesondere zu wenigstens 90% Volumenanteil, vorzugsweise einstückig, daraus gebildet ist.
Der Gusseisenwerkstoff umfasst weiter 1,0 % bis 5,5 %, vorzugsweise 1,5 % bis 4,0 % Kohlenstoff und ist vorzugsweise wie folgt charakterisiert: Gusseisenwerkstoff der zumindest folgende Anteile in Gewichtsprozent als Elemente oder als Verbindungen von: Kohlenstoff im Bereich von ca. 1,0% bis 4,0%, Silizium im Bereich von ca. 1,0% bis 5,0%, Mangan im Bereich von ca. 0,1% bis 1,5%, Nickel im Bereich von ca. 36,5% bis 48,0%, Chrom im Bereich von ca. 0,01% bis 0,25%, Phosphor bis ca. 0,08%,
Kupfer bis ca. 0,5%, Magnesium bis ca. 0,15%, umfasst, wobei der Rest Eisen umfasst. Der Gusseisenwerkstoff kann zudem einen Anteil von Magnesium im Bereich von ca. 0,020% bis 0,150%, bevorzugt von ca. 0,040% bis 0,100%, besonders bevorzugt von ca. 0,065% bis 0,090% aufweisen. Weiter kann der Gusseisenwerkstoff einen Anteil von Silizium im Bereich von ca. 1,0% bis 4,5%, bevorzugt von ca. 1,0% bis 2,5%, besonders bevorzugt von ca. 1,3% bis 2,0% umfassen.
Der Arbeitsraum 8 des in den Fig 1 A bis IC und Figur 2 dargestellten Presssystems 100 ist durch eine erste Raumachse X, eine zweite Raumachse Y und eine dritte Raumachse Z definiert, und ist wenigstens in Richtung einer der Raumachsen X, Y, Z entlang einer Strecke L von wenigstens 1,3 m, vorzugsweise wenigstens 3,5 m, ganz vorzugsweise wenigstens von 5 m, weiter bevorzugt von wenigstens 8 m und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 10,5 m ausgebildet. In Figur 2 ist entlang der horizontalen Achse der Zeitverlauf eines Presszyklus des Presssystems 100 dargestellt. Entlang der vertikalen Achse werden die Dehnungsbeträge über die Zeit aufgetragen, sodass sich als Kurven die Dehnungs verlaufe DVM, DVW, DVP1 und DVP2 ergeben, deren Werte jeweils vom Einwirken des im Arbeitsraum wirkenden Druckverlaufs und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf abhängig sind. Dabei erfahren die Presswerkzeuge 2 und 3 die im Arbeitsraum wirkenden Druck- und Temperaturverläufe, wenigstens aber den im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf nur sekundär, da es nicht zu den Aufgaben eines Presssystems 100 gehört möglichst viele Systemteile thermisch zu beaufschlagen. Dies wäre, ökologisch und ökonomisch gesehen, Unfug. Dennoch weichen die Dehnungsverläufe DVP1 und DVP2 der beiden Presswerkzeuge 2 und 3 über wenigstens 97,5% ihres Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungs verlauf des Werkstücks 19 ab. Tatsächlich ist es sogar so, dass abgesehen von einer kleinen Zeitverzögerung, die hier zur besseren Sichtbarkeit sogar unmaßstäblich vergrößert ist, und maximal bis zu 1%, äußerst maximal jedoch bis zu höchstens 2% der Presszykluszeit andauert und in der der maximale Unterschied im Dehnungsverhalten zwischen DVP1 bzw. DVP2 zu DVW noch unter einem 1,5% beträgt, liegen die Kurven praktisch dauerhaft während der gesamten Prozesszykluszeit praktisch exakt aufeinander und sind deshalb im weiteren Verlauf von t auch auf derselben Linie dargestellt.
Dagegen zeigt Figur 2 auch klar, dass der Dehnungsverlauf der Membran 4 während wenigstens 7,5% ihres Dehnungsverlaufs um mehr als 5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks zum selben Zeitpunkt gesehen abweicht.
Das Dehnungsverhalten der Membran 4 ist zudem viel stärker Linear ausgeprägt. Natürlich können auch die Dehnungsverlaufkurven des Werkstücks und der Presswerkzeuge andere Kurvenformen annehmen. Ausschlaggebend bleibt, dass das erste Presswerkzeug 2 und/oder das zweite Presswerkzeug 3, derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf DVP1, DVP2 während wenigstens 97,5% des Dehnungs Verlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf DVW des Werkstücks 19 abweicht. Der ist im dargestellten Beispiel gezeigte stärkere Abfall der Kurven hängt mit der rasanten Kühlung des ausgewählten Pressverfahrens ab. Grundsätzlich können aber Heiz- und Kühlrate auch gleichwertig ausfallen. Fallweise ist auch denkbar, dass der Aufheizprozess rasanter gefahren wird, als der Abkühlprozess. Wie dargestellt ist normalerweise zwischen Aufheiz- und Abkühlprozessanteil ein Halteteil vorgesehen, in dem Druck und Temperatur auf einem Niveau gehalten werden. Das Ausdehnungsverghalten passt sich dann im Allgemeinen an, kann aber leicht nachkriechen und deshalb eine leicht verrundete Form annehmen, die ebenfalls etwas übertrieben dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt schließlich den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 in schematischer Darstellung. Das Verfahren 100 umfasst die folgenden Schritte: 101: Bereitstellen einer Presse, 102: Bereitstellen eines Werkstücks, 103: Einlegen des Werkstücks, 104: Schließen der Presse, 105: Beaufschlagen des Werkstücks mit Druck und/oder mit Temperatur, 106: Öffnen der Presse.
Bezugszeichenliste:
1, I': Presse
2: erstes (oberes) Presswerkzeug
3: zweites (unteres) Presswerkzeug
4: Membran
5: Kavität
6: Kanal
7: Bohrung
8: Arbeitsraum
9: Führung
9A: Vorsprung
9B: Ausnehmung
10: Randelement
11: Spalt
12: Hohlraum
13: Klemmeinrichtung
14: Zuganker
15: Feder
16, 16': Dichtung 17, 17': Einrichtung (zur Veränderung der Dichtungskraft FD) 18: Einrichtung (zur Veränderung der Federkraft FD)
19: Werkstück
22: Druckerzeugungseinrichtung
23: Temperaturerzeugungseinrichtung
24: erste Komponente
25: zweite Komponente
26: Pressebene 100: Presssystem
A Anfang des Presszyklus
E Ende des Presszyklus
DVM: Dehnungs verlauf der Membran
DVP1: Dehnungs verlauf des ersten Presswerkzeuges
DVP2: Dehnungs verlauf des ersten Presswerkzeuges
DVW: Dehnungs verlauf des Werkstücks
L: Strecke
P: Druck t: Zeit T: Temperatur
X: Erste Raumrichtung (Längsrichtung)
Y: Zweite Raumrichtung (Breitenrichtung) Dritte Raumrichtung (Höhenrichtung)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Presssystem (100) umfassend: eine Presse (1,1 ) mit einem ersten Presswerkzeug (2) und einem zweiten Presswerkzeug (3), wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) zur Ausbildung eines Arbeitsraumes (8) relativ zueinander bewegbar sind, ein Werkstück (19) eine Druckerzeugungseinrichtung (22) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Druckverlaufs eine Temperaturerzeugungseinrichtung (23) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Temperaturverlaufs wobei das Werkstück (19) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf (DVW) durchläuft wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) durchlaufen dadurch gekennzeichnet, dass das erste Presswerkzeug (2) und/oder das zweite Presswerkzeug (3), derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf (DVW) des Werkstücks (19) abweicht.
2. Presssystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (19) wenigstens eine erste Komponente (24) und wenigstens eine zweite Komponente (25) umfasst.
3. Presssystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Komponente (24) und die zweite Komponente (25) während eines Pressprozesses innerhalb des Arbeitsraumes (8) unter Einwirkung von Druck und Temperatur miteinander verbinden.
4. Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presssystem (100) ferner eine Membran (4) umfasst, wobei die Membran (4) mit einem der Presswerkzeuge (2, 3) verbunden ist, wobei sich zwischen der Membran (4) und dem mit ihr verbundenen Presswerkzeug (2, 3) eine Kavität (5) für ein Arbeitsmedium ausbildet ist.
5. Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) derart gestaltet ist, dass ihr Dehnungsverlauf (DVM) ebenfalls während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks (DVW) abweicht.
6. Presssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) derart gestaltet ist, dass ihr Dehnungsverlauf (DVM) während wenigstens 7,5% des Dehnungsverlaufs um mehr als 5,0% vom Dehnungsverlauf des Werkstücks (DVW) abweicht.
7. Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presssystem (100) eine Pressebne (26) aufweist und dass die Membran (4) gegenüber dem mit ihr verbundenen Presswerkzeug (2, 3), vorzugsweise mit wenigstens einer, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Pressebene (26) verlaufenden, Richtungskomponente bewegbar angeordnet ist.
8. Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das erste Presswerkzeug (2) und/oder wenigstens das zweite Presswerkzeug (3) einen Gusseisenwerkstoff mit einem Nickelgehalt zwischen 36,0 % und 48 %, vorzugsweise zwischen 37,5 % und 47 %, ganz vorzugsweise zwischen 39,25 % und 46% umfasst, und insbesondere zu wenigstens 90%, insbesondere wenigstens 98% Volumenanteil, vorzugsweise einstückig, daraus gebildet ist.
9. Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff weiter 1,0 % bis 5,5 %, vorzugsweise 1,5 % bis 4,0 % Kohlenstoff umfasst.
10. Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Presssystem (100) zur Herstellung des Werkstücks (19) einen Presszyklus durchläuft und der Presszyklus einen, im Arbeitsraum (8) wirkenden, Temperaturunterschied von 100 K bis 500 K, vorzugsweise von 170 K bis 450 K, ganz vorzugsweise von 190 K bis 250 K, durchläuft.
11. Presssystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (8) durch eine erste Raumachse (X), eine zweite Raumachse (Y) und eine dritte Raumachse (Z) definiert ist und wenigstens in Richtung einer der Raumachsen (X, Y, Z) entlang einer Strecke (L) von wenigstens 1,3 m, vorzugsweise wenigstens 3,5 m, ganz vorzugsweise wenigstens von 5 m, weiter bevorzugt von wenigstens 8 m und ganz besonders bevorzugt von wenigstens 10,5 m ausgebildet ist.
12. Presswerkzeug (2, 3) zum Einsatz in einer Presse (1, 1 ') mit einem ersten Presswerkzeug (2) und einem zweiten Presswerkzeug (3), wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) zur Ausbildung eines Arbeitsraumes (8) relativ zueinander bewegbar sind, und wobei das Presswerkzeug (2, 3) derart gestaltet ist, dass es mit einer Druckerzeugungseinrichtung (22) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Druckverlaufs und einer Temperaturerzeugungseinrichtung (23) zur Erzeugung eines auf das im Arbeitsraum (8) befindliche Werkstück (19) wirkenden Temperaturverlaufs in Wirkverbindung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass es für ein Presssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgelegt ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, umfassend folgende Schritte:
- Bereitstellen (101) einer eine Presse (1) mit einer Druckerzeugungseinrichtung (22) und einer Temperaturerzeugungseinrichtung (23)
- Bereitstellen (102) eines (zu erzeugenden) Werkstücks (19)
- Einlegen (103) des Werkstücks (19) in einen Arbeitsbereich (8) zur Bildung eines Presssystems (100)
- Schließen (104) der Presse (1)
- Beaufschlagen (105) des Werkstücks (19) mit Druck (p) und/oder Temperatur (T) -Öffnen (106) der Presse, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (19) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum (8) wirkenden Temperaturverlauf einen Dehnungsverlauf (DVW) durchläuft, wobei das erste Presswerkzeug (2) und das zweite Presswerkzeug (3) in Abhängigkeit von dem im Arbeitsraum wirkenden Druckverlauf und dem im Arbeitsraum wirkenden Temperaturverlauf einen jeweiligen Dehnungsverlauf (DVP1, DVP2) durchlaufen und das erste Presswerkzeug (2) und/oder das zweite Presswerkzeug (3), derart gestaltet sind, dass ihr Dehnungsverlauf ( DVP1, DVP2) während wenigstens 97,5% des Dehnungsverlaufs um maximal 3,5% vom Dehnungsverlauf (DVW) des Werkstücks (19) abweicht.
14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Verfahrens ein Presssystem (100) nach einem der zugehörigen Ansprüche verwendet wird.
15. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bildende Werkstück (19) in Form von mehreren Prepregs in einem festen Aggregatzustand in die Presse (1), insbesondere in den Arbeitsraum (8) eingelegt wird.
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