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Die
Erfindung betrifft den Einsatz von Formwerkzeugen zur Herstellung
von Formbauteilen und insbesondere die Herstellung solcher Formwerkzeuge,
die zur Fertigung von Faserverbundbauteilen dienen.
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Für die industrielle
Fertigung von Formbauteilen werden oftmals robuste Formwerkzeuge
benötigt,
die einer großen
Anzahl von Fertigungszyklen widerstehen, um eine entsprechende Anzahl
von Formbauteilen mit ein und demselben Werkzeug fertigen zu können.
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Die
Oberflächenkontur
eines mit einem Formwerkzeug gefertigten Bauteils wird durch eine entsprechende
Formoberfläche
des Formwerkzeugs bestimmt. Verschleißerscheinungen an dieser Formoberfläche des
Werkzeugs führen
somit zwangsläufig
zu einer Qualitätsverschlechterung
der gefertigten Bauteile bzw. zu einer Fertigung von Ausschuss.
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Beispielsweise
werden zur Fertigung von CFK-Bauteilen (CFK = Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff)
dienende Formwerkzeuge vor ihrer Verwendung oftmals mit einem z.
B. flüssigen
Trennmittel beschichtet. Nach dem Entformen des CFK-Bauteils können, je
nach Fertigungsmethode, eingebrannte Trennmittelrückstände an der
Formoberfläche
verbleiben, welche in der Regel durch scharfkantige Werkzeuge wie
Schaber entfernt werden müssen.
Dies bringt die Gefahr einer oberflächlichen Schädigung des
Formwerkzeugs mit sich.
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Die
Herstellung eines vergleichsweise robusten Formwerkzeugs, beispielsweise
einer gefrästen
Stahlform, ist mit beträchtlichen
Kosten verbunden.
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Gemäß eines
auf internen betrieblichen Kenntnissen der Anmelderin beruhenden
Stands der Technik werden kostengünstigere Formwerkzeuge aus
CFK hergestellt, die wiederum der Fertigung von CFK-Bauteilen dienen.
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Die
eher geringe Verschleißfestigkeit
solcher CFK-Werkzeuge ("CFK-Femis") behindert jedoch den
produktionstechnischen Durchbruch der ansonsten den dehnungskompatiblen
Stahlformen überlegenen
CFK-Werkzeuge. Kostengünstigere
Werkzeuge wären
jedoch insbesondere bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen
(z. B. lasttragenden CFK-Strukturen im Flugzeugbau) sehr interessant. Bislang
werden derartige CFK-Werkzeuge nur im Prototypenbau und in Kleinstserien
verwendet, da deren Standzeit sehr gering ist.
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Für den Einsatz
bei größeren Serien
fehlt im Moment als Voraussetzung eine verschleißfeste und robuste Formoberfläche. Die
derzeit verwendeten CFK-Werkzeuge
haben eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa 50 bis 80 Zyklen.
Selbst innerhalb dieser kurzen Lebensdauer sind häufige Reparaturen
nötig,
d. h. die schadhaften Stellen werden ausgearbeitet und anschließend mit
einem speziellen Reparatur-System aufgefüllt. Anschließend muss
die Oberfläche
geschliffen und poliert werden. Dabei nimmt die Standzeit des Werkzeugs
mit jeder Reparatur ab.
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Desweiteren
erfordern diese CFK-Werkzeuge den Einsatz großer Mengen von flüssigen oder pasteusen
Trennmitteln, die wiederum teilweise in einem eigenen Zyklus in
die Formoberfläche "eingebrannt" werden müssen.
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Aus
diesem Grund werden für
Serien mit höheren
Stückzahlen
fast nur noch Stahlvorrichtungen eingesetzt. Diese Stahlformen sind
jedoch teuer und schon für
kleinere Bauteile schwer und unhandlich.
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In
der Luftfahrtindustrie werden die Formwerkzeuge zur Fertigung von
Faserverbundbauteilen, insbesondere CFK-Bauteilen, jedoch immer
größer und
komplexer. Aus diesem Grund besteht ein zunehmendes Bedürfnis, geeignete
Formwerkzeuge aus leichteren Materialien als den teuren Stählen herzustellen.
Die prinzipiell einsetzbaren Formwerkzeuge aus CFK sind trotz aller
ihrer Vorteile (z. B. geringes Gewicht, geringe Material und Herstellungskosten,
Verzugsfreiheit) zumeist nicht verschleißfest genug, um insbesondere
zur Fertigung von großen Formbauteilen
wirtschaftlich eingesetzt zu werden.
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Die
Druckschrift
DE 198
35 192 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines
Laminierwerkzeuges, wobei ein Trennmittel auf eine Oberfläche der
Vorform aufgetragen werden kann, welches das spätere Entformen des Laminierwerkzeuges
erleichtert.
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Aus
Druckschrift
DE 43
22 684 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Negativform
für Parabol-Antennen-Reflektoren
und ein Verfahren zum Herstellen von Parabol-Antennen sowie eine
Pressvorrichtung zum Herstellen von Parabol-Antennen bekannt. Es
wird die Übertragung
einer schwach haftenden Metallisierung von einer Negativform auf
einen damit hergestellten Gegenstand beschrieben und mit der Metallisierung
wird eine für
Parabol-Antennen geforderte optische Oberfläche geschaffen.
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Druckschrift
DE 102 58 935 A1 betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen aus
Lagen auf der Basis hochfester Fasern mit thermoplastischer Matrix.
Dabei werden die Lagen mit der thermoplastischen Matrix in einem
Autoklaven unter Druck und Temperatur zu einem Bauteil verbunden.
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Aus
Druckschrift
DE 689
19 929 T2 ist eine Form mit Metallüberzug für Kunststoffgegenstände und
ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Dabei kommen ersetzbare
Metallschichten zum Einsatz.
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Bei
einem Verfahren zur Kunststoffbeschichtung gemäß Druckschrift
DE 199 59 515 A1 wird mittels
eines Spritzvorganges eine Schicht aus metallischen, nichtmetallischen
oder oxidischen Werkstoffen auf ein Kunststoffelement oder eine
Schicht aus Kunststoff auf einen Grundwerkstoff mittels eines Hochdruck-Spritz- Verfahrens unter
Zugabe des pulverförmigen
Werkstoffes durch eine gasgesteuerte Pulverfördereinheit aufgetragen.
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Ferner
ist in Druckschrift
DE
10 2005 048 161 A1 ein Verfahren zur Herstellung metallisierter, extrudierter
Kunststoff-Gegenstände
bekannt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erhöhung der
Wirtschaftlichkeit, der Qualität
und der Umweltverträglichkeit
bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen, insbesondere von Strukturen
aus faserverstärkten
Kunststoffen, mit Hilfe von Formwerkzeugen zu unterstützen, welche
aus einem Faserverbund gebildet sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen
eines aus einem Faserverbund gebildeten Formwerkzeugs mit einer
Verschleißschutzschicht
an einer Formoberfläche
des Formwerkzeugs gelöst,
wobei die Verschleißschutzschicht
zunächst
als Blech oder Folie auf eine Formoberfläche eines Urwerkzeugs aufgelegt
wird, welches zur Bildung des Formwerkzeugs aus dem Faserverbund
vorgesehen ist und dann bei der Bildung des Formwerkzeugs von der
Formoberfläche
des Urwerkzeugs auf die Formoberfläche des Formwerkzeugs übertragen
wird, wobei die Verschleißschutzschicht
auf einer Seite, vor dem Auflegen der Verschleißschutzschicht auf das Urwerkzeug,
mit einem zur Schaffung einer Permanent-Trennschicht am fertigen
Formwerkzeug geeigneten Lacksystem versehen wird und die Verschleißschutzschicht
auf der entgegengesetzten Seite, vor und/oder nach dem Auflegen
der Verschleißschutzschicht
auf das Urwerkzeug, mit einer Haftvermittlungsschicht versehen wird.
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Eine
Besonderheit der Erfindung besteht also darin, dass die Verschleißschutzschicht
nicht unmittelbar am Ort ihrer Verwendung aufgebaut wird, sondern
separat davon. Diese Verschleißschutzschicht
wird während
des Formungsprozesses, bei welchem das Formwerkzeug hergestellt
wird, vom Urwerkzeug "abgeformt
bzw. ablaminiert".
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Mit
der Erfindung können
die beim Fertigungsprozess der Formbauteile in Kontakt mit dem zu
formenden Material tretenden Formoberflächen in einfacher Weise durch
ein "Abformen" mit einer Verschleißschutzschicht
versehen werden. Es kann damit die Verschleißbeständigkeit bzw. Lebensdauer von
Formwerkzeugen, die aus einem Faserverbund wie beispielsweise CFK
hergestellt sind, beträchtlich erhöht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Faserverbund aus CFK gebildet wird. Dies
hat insbesondere den Vorteil, dass das Formwerkzeug zu geringen
Kosten, mit leichtem Gewicht und äußerst formstabil hergestellt
werden kann. Durch die Erfindung können vorteilhaft auch relativ
großflächige (z.
B. größer als
1 Quadratmeter) Formflächen "mit integriertem
Verschleißschutz" realisiert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Formwerkzeug zur Fertigung von Faserverbundbauteilen, insbesondere
zur Fertigung von CFK-Bauteilen, vorgesehen.
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Faserverbundbauteile
sind in vielen Anwendungsbereichen vor allem wegen ihrer hohen spezifischen
Festigkeit (Verhältnis
von Festigkeit zu Gewicht) interessant. Ein Faserverbundwerkstoff
ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten
besteht, nämlich
einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige
Wechselwirkungen dieser Komponenten enthält der Werkstoff höherwertige
Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
Bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen kann ein Formwerkzeug
z. B. zum Kompaktieren und/oder Aushärten (zumeist thermisches Aushärten) eines
mit einem Matrixmaterial (z. B. Harz) infiltrierten Fasermaterials
eingesetzt werden. Bei einem solchen Formwerkzeug können schadhafte
Stellen in der Formoberfläche insbesondere
bei der mechanischen Reinigung durch die Anwendung von Schabern,
Spachteln oder anderen scharfkantigen Werkzeugen zum Entfernen von
Matrixmaterial und eingebrannten Trennmittelrückständen entstehen. Solche Schäden können bei
einem erfindungsgemäß hergestellten
Formwerkzeug jedoch durch die im Rahmen der Herstellung ausgebildete
Verschleißschutzschicht
vermieden werden, was die Standzeit des Werkzeugs beträchtlich
verlängert.
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In
diesem Zusammenhang ist auch zu bedenken, dass CFK-Bauteile und
ein korrespondierendes CFK-Formwerkzeug (Femi) in der Regel ein
artgleiches bzw. ähnliches
Harzsystem enthalten. Bei einer ungeschützten Formoberfläche des
Werkzeugs führt
die hohe chemische Affinität
der betreffenden Harze untereinander zu Anbackungen und chemischen
Bindungen. Hierdurch werden erhöhte
Entformungskräfte
erforderlich, die zu Formbeschädigungen
als auch zu Bauteilbeschädigungen
führen
können.
Daraus resultierend entstehen zusätzlich hohe Reinigungskosten
und hoher Flächenabtrag
sowie unerwünschte
geometrische Veränderungen
durch zyklisch wiederkehrendes Überarbeiten
bzw. Entfernen der Harzrückstände. Durch
die erfindungsgemäß bereitgestellte
Verschleißschutzschicht
kann diese Problematik jedoch beseitigt werden.
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Die
Verschleißschutzschicht
kann z. B. eine eher harte und/oder für den betreffenden Formbauteil-Fertigungsprozess
besonders günstige
Eigenschaften aufweisende "Funktionsschicht" sein (z. B. mit
anti-adhäsiver
Wirkung für
das Matrixmaterial eines mit dem Formwerkzeug zu fertigenden Faserverbundbauteils).
Durch die Verwendung fluorpolymerhaltiger Materialien kann beispielsweise
eine trennmittelfreie Fertigung von CFK-Leichtbaustrukturen realisiert
werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht, vor und/oder
nach dem Auflegen, mit einer Haftvermittlungsschicht versehen wird.
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In
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine solche Haftvermittlungsschicht
für die
Verschleißschutzschicht
durch ein thermisches Spritzen aufgebaut wird. Bei dieser Weiterbildung
ist demnach vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht als Blech oder
Folie (z. B. aus Kunststoff oder Metall) auf die Formoberfläche des
Urwerkzeugs aufgelegt wird und die Verschleißschutzschicht, vor oder nach
dem Auflegen, durch thermisches Spritzen mit einer Haftvermittlungsschicht
versehen wird.
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Der
Begriff "thermisches
Spritzen" bezeichnet
hierbei eine Oberflächenbeschichtungstechnik, bei
welcher ein Spritzmaterial in Form von durch thermische Energie
erweichten oder geschmolzenen Partikeln auf die zu beschichtende
Oberfläche
aufgebracht wird, wobei die aufgebrachten Partikel sich an der Oberfläche wieder
verfestigen und somit eine Zusatzmaterialschicht (Haftvermittlungsschicht)
ausbilden.
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Für das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren
im Rahmen der Herstellung des Formwerkzeugs kommen prinzipiell alle
an sich bekannten thermischen Spritzverfahren in Betracht.
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Als
Energieträger
zur Zufuhr der zum Erweichen bzw. Aufschmelzen des Spritzmaterials
kann z. B. eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme, ein elektrischer Lichtbogen,
ein Plasmastrahl oder ein Laserstrahl dienen.
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Für den thermischen
Spritzprozess geeignete Spritzpistolen, denen das Spritzmaterial
z. B. in Pulverform oder als Draht bzw. Stab zugeführt wird, sind
ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und können somit
vorteilhaft im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden. Im Hinblick
auf optimierte Eigenschaften der thermisch aufgespritzten Beschichtung
kann eine solche Spritzpistole z. B. mit einem Pulver beschickt
werden, welches eine präzise eingestellte
Korngrößenverteilung
besitzt.
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In
einer Ausführungsform
ist ein Draht- oder Stabflammspritzen vorgesehen, bei welchem das
als Draht bzw. Stab zugeführte
Spritzmaterial in einer Brenngas (z. B. Acetylen)-Sauerstoff-Flamme
kontinuierlich aufgeschmolzen wird, wobei mit Hilfe eines Zerstäubergases
(z. B. Druckluft oder Stickstoff) tröpfchenförmige Spritzpartikel abgelöst und auf
die zu beschichtende Oberfläche
geschleudert werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist ein Pulverflammspritzen vorgesehen, bei welchem ein pulverförmiges Spritzmaterial
in einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme an- oder aufgeschmolzen und
mit Hilfe der expandierenden Verbrennungsgase auf die zu beschichtende
Oberfläche
geschleudert wird. Gegebenenfalls kann ein zusätzliches Gas (z. B. Argon oder
Stickstoff) zur Beschleunigung der Partikel auf die Oberfläche verwendet
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ("HVOF")
vorgesehen, bei welchem eine kontinuierliche Gasverbrennung mit
hohen Drücken
in einer Brennkammer erfolgt, in deren zentraler Achse ein pulverförmiges Spritzmaterial
zugeführt
wird, wodurch die Spritzpartikel auf besonders hohe Geschwindigkeiten
beschleunigt werden. Diese Variante ist insbesondere zur Schaffung
einer besonders dichten Spritzschicht oftmals besonders vorteilhaft.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist ein Lichtbogenspritzen vorgesehen, bei welchem zwei drahtförmige Spritzmaterialien
in einem zwischen den Drahtenden ausgebildeten Lichtbogen abgeschmolzen
und mittels eines Zerstäubergases
auf die zu beschichtende Oberfläche
geschleudert werden. Diese Variante ist insbesondere bei Verwendung
eines metallischen Spritzmaterials vorteilhaft einsetzbar.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das thermische Spritzen zum Aufbau der gegebenenfalls
vorgesehenen Haftvermittlungsschicht mit einem Metall oder einer
Metalllegierung durchgeführt wird.
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In
einer spezielleren, insbesondere für Formwerkzeuge zur Fertigung
von CFK-Bauteilen
besonders interessanten Ausführungsform
ist die Verschleißschutzschicht
und/oder die gegebenenfalls vorgesehene Haftvermittlungsschicht
aus einer Legierung von Eisen und Nickel gebildet, wobei der Nickelanteil
bevorzugt im Bereich von 30% bis 40% liegt, insbesondere etwa 36%
beträgt.
Derartige Werkstoffe werden z. B. als "Nickel 36", "Invar
36" und "Pernifer 36" kommerziell vertrieben.
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Insbesondere
die zuletzt genannten Metalllegierungen sind relativ teuer und schlecht
bearbeitbar, so dass z. B. unmittelbar aus solchen Metalllegierungen
hergestellte Formwerkzeuge entsprechend teuer wären. Mit der Erfindung kann
jedoch ein formstabiles und kostengünstiges Grundmaterial des Formwerkzeugs
(Faserverbund) mit einer solchen Metalllegierung als Verschleißschutz
kombiniert werden.
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Falls
eine Haftvermittlungsschicht durch ein thermisches Spritzen aufgebaut
wird, kann z. B. Nickel 36 einer robotergeführten Spritzpistole als Pulver
oder Draht, je nach geforderten Schichteigenschaften, zugeführt werden.
Darüber
hinaus besteht auch die Möglichkeit, ähnliche
artgleiche Werkstoffe zu applizieren, etwa durch entsprechende Pulverbeimischungen.
Durch geeignete Wahl des oder der Spritzmaterialien sowie der verwendeten
Spritzmethode lassen sich besonders haftfeste Oberflächenbeschichtungen
platzieren.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Haftvermittlungsschicht durch eine oberflächliche
Vorbehandlung der Verschleißschutzschicht
erzeugt wird (vor oder nach deren Auflegen auf das Urwerkzeug).
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Die
Vorbehandlung der Oberfläche
kann z. B. eine mechanische Bearbeitung umfassen (z. B. Schleifen,
Fräsen
etc.). Auch ein Strahlprozess, insbesondere ein Sandstrahlen, kommt
als mechanische Vorbehandlung in Betracht. Alternativ oder zusätzlich kann
die Oberfläche
z. B. mittels eines Lasers strukturiert bzw. aufgeraut werden.
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Für alle Ausführungsformen
ganz allgemein ist es von Vorteil, wenn die Verschleißschutzschicht (und/oder
die gegebenenfalls vorgesehene Haftvermittlungsschicht) einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich allenfalls geringfügig von
demjenigen des Grundmaterials des Formwerkzeugs (Faserverbund, insbesondere
CFK) unterscheidet, bevorzugt um weniger als 10% unterscheidet.
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Falls
das thermische Spritzen zum Aufbau der Haftvermittlungsschicht auf
der Oberfläche
der Verschleißschutzschicht
vorgesehen ist (hierzu genügen
zumeist Schichtdicken im Bereich von weniger als 1 mm), so ist es
vorteilhaft, wenn zuvor eine Vorbehandlung dieser Oberfläche erfolgt,
beispielsweise um damit die Haftung des Spritzmaterials zu verbessern.
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Wenngleich
der Wärmeeintrag
beim thermischen Spritzen im Allgemeinen relativ klein ist, so kann
es unter Umständen
vorteilhaft sein, wenn die Oberfläche während des thermischen Spritzens
gekühlt
wird. In sehr empfindlichen Bereichen oder bei sehr hohen lokalen
Beschichtungsraten können
damit z. B. durch gezieltes Kühlen
kritische Temperaturen und lokale Überhitzungen zuverlässig vermieden werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass durch thermisches Spritzen mehrere Schichten eines
oder mehrerer Spritzmaterialien auf die betreffende Oberfläche (der
Verschleißschutzschicht)
aufgebracht werden.
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Solche
Einzelschichten können
sich im verwendeten Spritzmaterial und/oder in den gewählten Spritzparametern
(z. B. Temperatur des Spritzgutes, Spritzrate etc.) unterscheiden.
Gegebenenfalls kann zwischen zwei benachbarten Einzelschichten einer thermisch
aufgespritzten mehrlagigen Beschichtung auch ein kontinuierlicher
Wechsel des Materials und/oder der Materialstruktur erfolgen ("Gradientenschicht").
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Zusammenfassend
kann mit der Erfindung eine "abformende
Beschichtung" von
CFK-Formwerkzeugen noch während
ihrer Herstellung erfolgen, so dass CFK-Oberflächen zum einen vor späterem Verschleiß geschützt werden
können
und zum anderen noch zusätzlich
anti-adhäsiv
modifiziert werden können
(optional), um ein Anbacken von Bauteilharz bei der Fertigung von
CFK-Bauteilen zu verhindern. Beispielsweise kann eine Metallfolie
oder ein Metallblech durch einseitige Beschichtung mittels thermischen
Spritzen besonders haftfest in die Oberfläche von CFK-Formwerkzeugen
integriert werden. Vor dem einseitigen Auftrag der Haftvermittlungsschicht
mittels thermisch Spritzen (oder der oberflächlichen Vorbehandlung) kann
eine Permanent-Trennschicht auf der Rückseite der Folie bzw. des
Blechs bereits eingebrannt sein (z. B. Lacksystem auf Fluorpolymer-Basis).
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
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1 ist
eine schematische Seitenansicht eines "Urwerkzeugs" mit an einer Formoberfläche aufgelegter
Verschleißschutzfolie,
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2 ist
eine der 1 entsprechende Ansicht nach
Abschluss einer Vorbehandlung der Verschleißschutzfolie,
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3 veranschaulicht
den Formungsprozess eines Faserverbunds mittels des Urwerkzeugs von 2,
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4 veranschaulicht
den Abschluss des Formungsprozesses und die hierbei erfolgte Übertragung
der Verschleißschutzfolie
vom Urwerkzeug auf das Werkzeug,
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5 ist
eine schematische Seitenansicht eines Urwerkzeugs, welches mit einer
Trennmittelschicht und darauf mit einer Verschleißschutzfolie versehen
ist, auf welcher durch thermisches Spritzen eine Haftvermittlungsschicht
aufgebaut wird,
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6 ist
eine der 5 entsprechende Ansicht nach
Abschluss des Aufbaus der Haftvermittlungsschicht,
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7 veranschaulicht
einen Formungsprozess eines Faserverbunds mittels des Urwerkzeugs von 6,
und
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8 zeigt
das durch den Formungsprozess hergestellte Formwerkzeug, auf dessen
Formoberfläche
sich die von der Formoberfläche
des Urwerkzeugs übertragene
Verschleißschutzfolie
befindet.
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Die 1 bis 4 veranschaulichen
die Herstellung eines Formwerkzeugs 10, welches zur späteren Fertigung
von CFK-Bauteilen vorgesehen ist.
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Wie
in 1 dargestellt ist, wird bei diesem Herstellungsverfahren
zunächst
ein "Urmodell" bzw. Urwerkzeug 20 (z.
B. aus CFK, Aluminium, Stahl oder Polyurethanwerkstoff) bereitgestellt,
welches eine formgebende Oberfläche 22 besitzt.
Auf diese Formoberfläche 22 wird
eine Verschleißschutzschicht 18 (für das später gebildete
Formwerkzeug 10) als Blech oder Folie aufgelegt.
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Vor
und/oder nach dem Auflegen der Verschleißschutzschicht 18 wird
durch eine oberflächliche
Vorbehandlung der Verschleißschutzschicht 18 eine
dünne Haftvermittlungsschicht 26 erzeugt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst die Vorbehandlung ein Sandstrahlen, durch welches die Haftvermittlungsschicht 26 als
aufgeraute Oberflächenschicht
der Verschleißschutzschicht 18 ausgebildet
wird. Alternativ kann aber auch z. B. eine PTFE-Folie zur Bildung
der Verschleißschutzschicht 18 verwendet
werden, deren von der Formoberfläche 22 wegweisende
Seite vorbehandelt (z. B. geätzt)
ist, wodurch die Haftvermittlungsschicht 26 gebildet wird.
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2 zeigt
das Ergebnis der Sandstrahlvorbehandlung. Die in 2 obere
Seite der Verschleißschutzschicht 18 ist
aufgeraut.
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3 zeigt,
wie sodann auf die so präparierte
Oberfläche
des Urwerkzeugs 20 ein Faserverbund 10' aufgebracht
wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
wird hierbei ein textiles Halbzeug wie z. B. Kohlenstofffasermatten
aufgelegt und anschließend mit
einem Harz imprägniert.
Wie es durch die Pfeile in 3 symbolisiert
ist, wird der Faserverbund 10' gegen die formgebende Oberfläche des
Urmodells 20 gedrückt,
somit kompaktiert, und anschließend ausgehärtet (z.
B. thermisch). Damit entsteht das Formwerkzeug 10.
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Wenn
das Urformwerkzeug 20 wieder geöffnet wird, um das CFK-Laminat 10' zu Entformen,
was in 4 veranschaulicht ist, haftet die Verschleißschutzschicht 18 an
einer Formoberfläche 12' des Faserverbunds 10'. Mit anderen
Worten wurde die zunächst
am Urmodell 20 bereitgestellte (aufgelegte) Verschleißschutzschicht 18 während des
Formungsprozesses zur Bildung des Formwerkzeugs 10 von der
Formoberfläche 22 des
Urwerkzeugs 20 auf die Formoberfläche 12' des Werkzeugs 10 transferiert. Es
ist eine neue Formoberfläche 12 entstanden.
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Für diese Übertragung
der separat gebildeten Verschleißschutzschicht 18 ist
wesentlich, dass die Adhäsion
zwischen dem Material der Verschleißschutzschicht 18 und
der formgebenden Oberfläche 22 geringer
als die Adhäsion
zum CFK-Material
des Formwerkzeugs 10 (bzw. dessen Harzsystem) ist. Optional
kommt eine Nachbearbeitung (Finishing-Prozess) der Formoberfläche 12 in
Betracht (z. B. Polieren).
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Zusammenfassend
wird mit der Ausführung gemäß der 1 bis 4 ein
abformendes bzw. ablaminierendes Verfahren bereitgestellt, bei welchem
eine Verschleißschutzschicht
von einer "Master-Form" durch Hinterbau
mittels eines Laminat-Aufbaus
abgeformt wird. Hierbei kann eine besonders gute Haftung der separat
gefertigten Verschleißschutzschicht
zum Verbundwerkstoff des Formwerkzeugs erzielt werden. Es entsteht
ein Formwerkzeug mit "integriertem
Verschleißschutz".
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Bei
dem Herstellungsverfahren gemäß 1 bis 4 erfolgt
der Hinterbau der als Blech oder Folie bereitgestellten Verschleißschutzschicht 18 auf
dem Urwerkzeug 20 mittels Laminiertechnik (z. B. Ablegen
mehrerer Faserwerkstofflagen wie "Prepreg-Lagen"). Während
des Aushärtezyklus dringt
flüssiges
Harz ("Tooling Prepreg") in die aufgeraute
Funktionsschicht 18 ein und bildet dort durch mechanische
Verankerung mit selbiger einen haftfesten Verbund.
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Die
Aushärtung
des als CFK-Verbund 10' hergestellten
Formwerkzeugs 10 kann z. B. in einem Autoklaven erfolgen,
woraufhin sich der ausgehärtete
Verbund 10' samt
integrierter Verschleißschutzschicht 18 vom
Urwerkzeug 20 trennen lässt.
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Das
Formwerkzeug 10 verschleißt nicht so schnell durch die
damit durchgeführten
Fertigungszyklen bzw. durch mechanische Verletzungen und Beschädigungen
mittels Reinigungswerkzeugen, die zur Säuberung der Formoberfläche 12 nach
jedem einzelnen Fertigungszyklus in der Regel erforderlich sind.
Weiterhin schützt
die Beschichtung 18 das Werkzeug 10 vor übermäßiger chemischer
Alterung bzw. Degradation.
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Eine
für die
Praxis sicherlich vorteilhafte Eigenschaft der Verschleißschutzschicht 18 kann
deren große
mechanische Festigkeit bzw. Härte
sein. Unabhängig
davon kann für
diese "Funktionsschicht" 18 jedoch
insbesondere eine anti-adhäsive
Wirkung bezüglich
des mit dem Formwerkzeug 10 zu formenden Materials (z.
B. CFK-Harzsystem) eine große Rolle
spielen. Die applizierte Verschleißschutzschicht 18 kann
also z. B. ein "reiner
Verschleißschutz" (mechanisch besonders
stabil), eine "reine Permanent-Trennschicht" (gut am Werkzeug
anhaftend, jedoch anti-adhäsiv
bezüglich
des zu formenden Materials), oder eine Kombination aus beidem sein.
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Zur
Schaffung einer solchen Permanent-Trennschicht bei dem Herstellungsverfahren gemäß 1 bis 4 kann
z. B. vorgesehen sein, dass die in 1 untere
Seite der Verschleißschutzschicht 18 vor
dem Auflegen auf das Urwerkzeug 20, und bevorzugt auch
vor der oberflächlichen
Vorbehandlung der entgegengesetzten (in den Fig. oberen) Seite,
mit einem entsprechenden Lacksystem (insbesondere Einbrennlack)
versehen wird.
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Wenn
das betreffende Formwerkzeug zur Fertigung von CFK-Bauteilen vorgesehen
ist, kann eine solche Permanent-Trennschicht beispielsweise Fluorpolymere,
partikelförmige
Trockenstoffe wie Mo, Graphit, MoS2, hex-BN
etc. umfassen.
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Die
Formoberfläche 12 ist
in den Figuren der Einfachheit halber als eine einfach gekrümmte Fläche dargestellt,
da die tatsächliche
Formgestaltung eine nachrangige Bedeutung besitzt. In der Praxis
ist die Formoberfläche 12 zumeist
mehr oder weniger kompliziert, in Anpassung an die gewünschte Bauteilkontur,
gestaltet. Sie bildet das "negative
Abbild" der gewünschten
Kontur der Bauteiloberfläche.
Des Weiteren ist hier der Einfachheit der Darstellung halber lediglich
ein plattenförmiges
Formwerkzeug 10 dargestellt. In der Praxis bildet ein solches
Formwerkzeug 10 zumeist eine Werkzeughälfte eines zweiteiligen Formwerkzeugs,
bei welchem das imprägnierte
Fasermaterial zwischen den beiden Werkzeughälften eingeschlossen und gegebenenfalls
unter Druck gesetzt wird (z. B. in einem Autoklaven).
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
besteht der Korpus des Formwerkzeugs 10 aus einem kostengünstig hergestellten
CFK-Faserverbund. Wie bei bisher z. B. aus einer robusten Eisen-Nickel-Legierung
(z. B. "Nickel 36") hergestellten herkömmlichen
Formwerkzeugen wird durch die beschriebene Beschichtung des CFK-Faserverbunds
eine industrielle Serienproduktion der entsprechenden CFK-Bauteile ermöglicht.
Derartige CFK-Bauteile sind insbesondere als Strukturbauteile im
Flugzeugbau vorteilhaft einsetzbar. Insbesondere für diesen
Bereich kann die Formoberfläche 12 des
beschriebenen Formwerkzeugs 10 eine Fläche im Bereich von mehreren
Quadratmetern besitzen.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende
Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch
einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungs form. Dabei
wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits
beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Die 5 bis 8 veranschaulichen
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Herstellung eines aus einem durch Kompaktieren und Aushärten eines Faserverbunds 10a' gebildeten
Formwerkzeugs 10a mit einer Verschleißschutzschicht 18a,
welche eine Formoberfläche 12a des
Werkzeugs 10a ausbildet.
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Wie
bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zunächst ein
Urwerkzeug 20a mit einer formgebenden Oberfläche 22a bereitgestellt,
auf welche wieder eine Verschleißschutzschicht 18a als
Blech oder Folie aufgelegt wird. Im Unterschied zu der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform
wird die Oberfläche 22a des
Urwerkzeugs 20a jedoch vor dem Auflegen mit einer Trennmittelschicht 24a versehen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
wurde die Oberfläche 22a hierfür mit einem
pastösen
Trennmittel bestrichen. Den entsprechenden Schichtenaufbau zeigt 5.
In dieser Figur ist ferner dargestellt, wie nachfolgend durch thermisches
Spritzen mittels einer Spritzpistole 14a ein Spritzmaterial 16a an
der oberen Seite der Verschleißschutzschicht 18a aufgebracht
wird (z. B. HVOF oder Lichtbogendrahtspritzen). Das sich an der
Oberfläche
der Verschleißschutzschicht 18a wieder
verfestigende Spritzmaterial 16a bildet eine in 6 dargestellte
Haftvermittlungsschicht 26a.
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Als
Spritzmaterial 16a können
insbesondere Metalle oder Metalllegierungen wie z. B. "Nickel 36" Verwendung finden.
Oftmals ist es günstig,
die Oberfläche
der Verschleißschutzschicht 18a vor
dem Applizieren des Spritzmaterials 16a aufzurauen bzw. mikroskopisch
zu strukturieren (z. B. durch Strahlen oder Lasern).
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird mit der robotergeführten
thermischen Spritzpistole 14a eine Metalllegierung (hier:
Nickel 36-Pulver) aufgeschmolzen und aufgespritzt.
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Es
ist oftmals günstig,
wenn durch das thermische Spritzen mehrere Schichten eines oder
mehrerer Spritzwerkstoffe auf die Verschleißschutzschicht 18a aufgebracht
werden. Beispielsweise kann ein zumindest zweischichtiger Auftrag
des Zusatzmaterials 16a erfolgen. Bei einer in 6 unteren
Einzelschicht kann es sich z. B. um eine Schicht mit besonders guten
Haftungseigenschaften zur Verschleißschutzschicht 18a hin
handeln, wohingegen eine obere Einzelschicht als spätere Grenzschicht zum
Formwerkzeug hin eine besonders große Haftung am Faserverbund 10a' bewerkstelligt.
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7 zeigt,
wie auf die so präparierte
Oberfläche
des Urwerkzeugs 20a der Faserverbund 10a' aufgebracht
wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
werden Kohlenstofffasermatten aufgelegt und anschließend mit
einem Harz imprägniert.
Wie es durch die Pfeile in 7 symbolisiert
ist, wird der Faserverbund 10a' gegen die formgebende Obefläche 22a des
Urwerkzeugs 20a gedrückt,
somit kompaktiert, und anschließend
ausgehärtet.
Es entsteht das Formwerkzeug 10a.
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Wenn
das Urformwerkzeug 20a wieder geöffnet wird, um das CFK-Laminat 10a' zu entformen, was
in 8 veranschaulicht ist, haftet die Verschleißschutzschicht 18a mittels
der Haftvermittlungsschicht 26a besonders gut an der Formoberfläche 12a' des Faserverbunds 10a'. Wie bei dem
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
wurde die zunächst
an einem Urwerkzeug bereitgestellte Verschleißschutzschicht 18a während des
Formungsprozesses zur Bildung des Formwerkzeugs 10a vom
Urwerkzeug auf das Werkzeug transferiert.
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Zusammenfassend
erfolgt bei den beiden beispielhaft beschriebenen Herstellungsverfahren das
Aufbringen eines Oberflächenschutzsystems durch
Einbetten von "Inserts" wie z. B. Kunststoff-Folien
(z. B. geätzte
PTFE-Folien, temperaturbeständige
Fluorpolymer-Folien mit anti-adhäsiven
Eigenschaften), Metallfolien (z. B. aus Edelstahl), Metallblechen,
Vliesen (z. B. Metallvliese oder Polymervliese) etc. Diese Inserts
werden durch gezielte, einseitige Vorbehandlung haftfest in die
Werkzeug-Formoberfläche
integriert, wobei die Vorbehandlung z. B. ein Ätzen, eine Aufrauung und/oder
den Aufbau einer Haftvermittlungsschicht durch thermisches Spritzen umfasst.
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Der
Verfahrensablauf bei Verwendung einer Metallfolie oder eines Metallblechs
als Verschleißschutzschicht
bei einem aus einem CFK-Faserverbund gebildeten Formwerkzeug zur
Fertigung von CFK-Bauteilen kann zusammenfassend also z. B. wie
folgt erfolgen: Zunächst
wird die beispielsweise bereits einseitig mittels der thermischen
Spritztechnik beschichtete Metallfolie bzw. das Metallblech auf
das Urmodell drapiert. Optional besteht die Möglichkeit, die spätere Funktionsoberfläche des
Formwerkzeugs mit einer anti-adhäsiven
Funktionsschicht auszustatten. Bedingt durch die hohen Einbrenntemperaturen (z.
B. größer als
350°C) einer
solchen anti-adhäsiven Schicht
ist es zweckmäßig die
Applikation derselben vor dem Auftrag der als Haftvermittler wirkenden
aufgespritzten Beschichtung und vor dem Einbetten in den CFK-Faserverbund
vorzunehmen. Sodann erfolgt der Hinterbau der Metallfolie bzw. des
Metallblechs mittels der Laminiertechnik (Tooling Prepreg) auf die
gespritzte Haftvermittlungsschicht. Nach erfolgter Aushärtung, beispielsweise
in einem Autoklaven, lässt
sich der CFK-Faserverbund samt integrierter Folie bzw. dem integrierten
Metallblech vom Urmodell trennen. Ein Finishing-Prozess ist zumeist nicht
erforderlich.
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Bei
dem beschriebenen Verfahrensablauf besteht auch die Möglichkeit,
Metallfolien z. B. durch Tiefziehen auf komplexere Geometrien der
betreffenden Formoberfläche
anzuwenden.
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Wenngleich
der vorstehend beschriebene Verfahrensablauf auch bei Verwendung
von nicht-metallischen Materialien als Verschleißschutzschicht in Betracht
kommt, so könnte
ein für
Kunststofffolien (insbesondere Fluorpolymer-Folien) vorteilhafter
Verfahrensablauf z. B. wie folgt erfolgen: Zunächst werden eine oder mehrere,
einseitig geätzte
oder mit aufgeschweißtem
Glasfasergewebe versehene Folien auf ein Urwerkzeug bzw. Urmodell drapiert.
Sodann erfolgt ein Hinterbau der Folie(n) mittels Laminiertechnik
(Tooling-Prepreg). Bei der Formung des Faserverbunds mittels des
Urwerkzeugs (z. B. beim Kompaktieren und/oder Aushärten) dringt
flüssiges
Matrixmaterial (z. B. Harz) in die vorbehandelte (geätzte) Folienseite
ein und bildet dadurch eine sehr gute mechanische Verankerung zwischen
dem Matrixmaterial und der Folie. Nach erfolgter Aushärtung, die
bevorzugt in einem Autoklaven bewerkstelligt wird, lässt sich
der ausgehärtete
Faserverbund samt integrierter Kunststofffolie leicht vom Urmodell
trennen. Ein Finishing-Prozess
ist zumeist nicht erforderlich.
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Bei
dem zuletzt beschriebenen Verfahrensablauf besteht auch die Möglichkeit,
Kunststofffolien durch einen vorgeschalteten Prozess mittels Thermoforming
auf komplexere Geometrien der betreffenden Formoberfläche anzuwenden.
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Insbesondere
bei Verwendung fluorpolymerhaltiger Materialien (Folien) sowie Compounds
lassen sich verfahrensangepasste, beschichtete CFK-Werkzeuge (Femis)
zur trennmittelfreien und somit umweltschonenden Fertigung von Formbauteilen,
insbesondere CFK-Leichtbaustrukturen herstellen.
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Mit
den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
lassen sich beispielsweise folgende Vorteile erzielen:
- – Eine
mit Verschleißschutz
und/oder anti-adhäsiven
Systemen beschichtete Formoberfläche
bietet Schutz vor Verletzungen bei notwendigen Reinigungsarbeiten
und erleichtert solche Reinigungsarbeiten.
- – Durch
die Beschichtung mit einem Verschleißschutz, die auch als Versiegelung
wirkt, kann der Reinigungsaufwand deutlich reduziert werden, da das "Ausbluten des Formenharzes" vermieden wird und
es somit nicht mehr zu einer mechanischen Verankerung mit dem Bauteilharz
kommen kann.
- – Durch
die erzielte Erhöhung
der Standzeit eines Formwerkzeugs kann eine beträchtliche Produktivitätssteigerung
erreicht werden.
- – Bislang übliche Stahl-Formwerkzeuge
mit all ihren negativen Eigenschaften können in vielen Bereichen durch
kostengünstigere
Faserverbund-Werkzeuge ersetzt werden.
- – Durch
das "abformende
Verfahren" ("in-mould-Technik") lassen sich sehr
gute Haftfestigkeiten erzielen.
- – Ein
Oberflächenschutz
für einfach
konturierte Geometrien der Formoberfläche lässt sich durch die Einbettung
von einseitig vorbehandelten Folien oder Blechen sehr gut und mit
geringem Aufwand realisieren.
- – Durch
die Einbettung einer einseitig geätzten Kunststofffolie, z. B.
Fluorpolymer-Folie, kann auf die Verwendung von Trennmitteln beim
Formungsprozess mittels des Formwerkzeugs vorteilhaft verzichtet
werden.
- – Durch
die Verwendung einer Schichtkombination bestehend aus Verschleißschutz
mit inhärenter,
anti-adhäsiver
Wirkung bzw. Trenneigenschaften kann gegebenenfalls auch auf dem
Einsatz von flüssigen
Trennmitteln (semipermanent und oftmals umweltschädigend)
verzichtet werden. Dies bedeutet zudem eine Kosteneinsparung. Beispielsweise
lassen sich fluorpolymerhaltige Materialien in Pulverform in Compoundierung in
Spritzpulver, d. h. durch Bildung einer Kombination aus Verschleißschutz
mit integrierter anti-adhäsiver
Wirkung mit der Spritzpistole verarbeiten.
- – Durch
die aufgezeigten unterschiedlichen Verfahren zur Integration eines
Oberflächenschutzes bzw.
Oberflächenschutzsystems
an der Formoberfläche
im Rahmen der Herstellung eines Formwerkzeugs können für nahezu alle in der Praxis relevanten
Formgeometrien Beschichtungslösungen
gefunden werden.