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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Faserverstärkte Bauteile bieten eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht und finden daher in zunehmendem Maße Einzug in Maschinen und Fahrzeuge aller Art. Während ihr Einsatz im Bereich der Luft- und Raumfahrt bereits seit Jahrzenten bekannt ist, werden zwischenzeitlich erhebliche Anstrengungen unternommen diese auch im Automobilbereich zur Anwendung zu bringen. Hierbei sind jedoch abweichende Rahmenbedingungen zu berücksichtigen, die eine einfache Übertragbarkeit insbesondere von Herstellungsverfahren erschweren oder sogar verhindern.
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Während in der Luft- und Raumfahrt im Wesentlichen faserverstärkte Bauteile in Handarbeit oder mittels aufwendiger Vorrichtungen als Einzelanfertigungen oder in geringen Stückzahlen mit entsprechend hohen Stückkosten erstellt werden, sind für eine Serienfertigung im Automobilbereich weit höhere Stückzahlen zugrunde zu legen. Es werden daher große Anstrengungen unternommen effiziente und automatisierte Herstellungsverfahren bereitzustellen, die eine Produktion großer Stückzahlen mit möglichst geringen Taktzeiten und gleichzeitig möglichst hoher Qualität ermöglichen.
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Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung der faserverstärkten Bauteile bekannt. Hierzu zählen insbesondere ein sogenanntes Nasspressverfahren, das sogenannte Resin Transfer Molding (kurz: RTM) und sogenannte Harzinjektionsverfahren (Kurz: RI-Verfahren).
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Eine weitere Möglichkeit derartige faserverstärkte Bauteile zu erzeugen, stellt ein Verfahren zum Pressen von Fasermatten dar, welche mit einer Matrix, beispielsweise einem Gemisch aus einem Harz und einem Härter sowie gegebenenfalls bei Bedarf mit einem Trennmittel, getränkt sind und in eine Presse eingelegt werden, um diese mittels der Presse in eine gewünschte Form zu pressen und auszuhärten. Als Halbzeuge dienen hierzu insbesondere vorimprägnierte Faser-Matrix-Halbzeuge, die sogenannten Prepregs.
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All diesen Verfahren zur Herstellung ist gemein, dass ein Aushärten der faserverstärkten Bauteile eine lange Zeitspanne in Anspruch nimmt, so dass sich mittels der entsprechenden Herstellungswerkzeuge bzw. den entsprechenden Maschinen lediglich eine geringe Taktzeit erreichen lässt, die eine Fertigung großer Stückzahlen in dem jeweiligen Werkzeug verhindern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils bereitzustellen, welches eine Fertigung vereinfacht und beschleunigt, um somit große Stückzahlen und kurze Taktzeiten zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen aus mindestens einer matriximprägnierten Fasermatte vorgeschlagen mit den folgenden Schritten:
- – Pressen der mindestens einen Fasermatte in einem ersten Presswerkzeug zum Aufprägen einer dreidimensionalen Struktur, und
- – Erhitzen der mindestens einen Fasermatte in dem ersten Presswerkzeug zum Erzeugen des faserverstärkten Bauteils, und
- – Entnehmen des erzeugten Bauteils aus dem ersten Presswerkzeug.
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Der Schritt des Pressens und der Schritt des Erhitzens sind derart konfiguriert, dass das erzeugte Bauteil teilweise ausgehärtet ist, so dass das Bauteil formstabil zum Erhalt der aufgeprägten dreidimensionalen Struktur ist und einen nicht-ausgehärteten bzw. lediglich teilweise ausgehärteten Kern aufweist.
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Es erfolgt also ein Pressen einer oder mehrerer matriximprägnierter Fasermatten in einem Presswerkzeug zum Erzeugen eines strukturierten Bauteils. Als Matrix kommen üblicherweise Zweikomponenten-Systeme, bestehend aus einem Härter und einem Harz, zum Einsatz. Selbstverständlich sind aber auch andere geeignete Matrix-Systeme einsetzbar, insbesondere Harz-Härter-Kombinationen mit einem zusätzlichen Trennmittel.
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Als Presswerkzeug können insbesondere mindestens zweiteilige Presswerkzeuge dienen, die eine erste Werkzeugform und eine gegen diese verpressbare zweite Werkzeugform aufweisen, die beispielsweise komplementär zueinander ausgeformt oder einen geformten Hohlraum bereitstellen und an die zu erzeugende Struktur angepasst sind. Zwischen beiden Werkzeugformen wird die mindestens eine matriximprägnierte Fasermatte eingelegt und durch Schließen des Presswerkzeugs und Verpressen der Werkzeugformen gegeneinander in die gewünschte Form gebracht.
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Anschließend und/oder gleichzeitig zu dem Schritt des Pressens erfolgt ein Erhitzen der in dem Presswerkzeug angeordneten mindestens einen Fasermatte. Hierdurch wird eine Aushärtereaktion der Matrix in Gang gesetzt bzw. beschleunigt, um die Matrix zu härten und ein formstabiles Bauteil zu erzeugen, welches die gewünschte Form aufweist.
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Dabei ist der Pressvorgang, also insbesondere dessen Parameter, wie beispielsweise eine Schließgeschwindigkeit oder ein Pressdruck, sowie der Schritt des Erhitzens, insbesondere dessen Parameter, wie beispielswiese die Höhe einer Temperatur oder ein möglicherweise zeitlich variierender Temperaturverlauf, derart konfiguriert, dass das erzeugte Bauteil bzw. die Matrix lediglich teilweise aushärtet, bevor es aus dem Presswerkzeug entnommen und damit der Aushärtevorgang in dem Presswerkzeug beendet wird. Dies bedeutet, dass die Parameter des Pressvorgangs bzw. des Erhitzens dementsprechend auf die verwendete Matrix angepasst sind, um das beschriebene Ergebnis zu erzielen.
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Der lediglich teilweise ausgehärtete Zustand des erzeugten Bauteils ist dadurch definiert, dass das Bauteil bereits lokal soweit ausgehärtet ist, dass es bei dem Schritt des Entnehmens und einer späteren Handhabung ausreichend formstabil ist und die vorgegebene bzw. aufgeprägte Struktur beibehält. Das Bauteil kann demnach zwar noch elastisch verformbar sein, sollte sich jedoch im Wesentlichen nicht bei einer Handhabung, wie beispielsweise einem Transport, plastisch verformen.
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Dies bedeutet, dass insbesondere eine Oberfläche des Bauteils bereits ausgehärtet und somit formstabil an die aufgeprägte Struktur angepasst ist bzw. dem Bauteil eine ausreichend steife Struktur verleiht. Im Gegensatz dazu ist ein Kern des Bauteils jedoch noch nicht oder nicht vollständig ausgehärtet. Mit anderen Worten ist eine äußere Schicht des Bauteils bereits hart, während unterhalb der äußeren Schicht liegende innere Schichten noch eine „rohe”, nicht- oder zumindest nicht vollständig ausgehärtete Konsistenz aufweisen.
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Dies bietet den Vorteil, dass eine Bearbeitungszeit in dem ersten Presswerkzeug auf diese Weise deutlich reduziert werden kann. Das Bauteil kann bereits vor Abschluss des üblicherweise vollständigen Aushärtevorgangs aus dem ersten Presswerkzeug entnommen werden, so dass dieses zur Bearbeitung eines neuen Bauteils zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann eine Taktzeit des Presswerkzeugs erhöht werden.
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Mit dem beschriebenen Verfahren können sowohl eine einfache Fasermatte als auch mehrlagige Fasermatten, beispielsweise mehrere aufeinanderliegende Prepregs, verpresst werden.
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Des Weiteren kann das Verfahren eine erste Anzahl von Nachbearbeitungsschritten des Bauteils in einer zweiten Anzahl von weiteren Werkzeugen umfassen, wobei in jedem Werkzeug mindestens einer der Nachbearbeitungsschritte erfolgt.
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Somit wird das in dem Presswerkzeug erzeugte Bauteil für einen oder mehrere Nachbearbeitungsschritte weiteren Werkzeugen zugeführt, mittels derer eine Bearbeitung des Bauteils fortgesetzt werden kann.
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Beispielsweise kann die Anzahl von Nachbearbeitungsschritten mindestens einen Schritt des Pressens und/oder Erhitzens und/oder Zuschneidens des erzeugten Bauteils umfassen.
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Nach der Entnahme des erzeugten Bauteils aus dem ersten Presswerkzeug kann das Bauteil also beispielsweise in ein weiteres Werkzeug eingesetzt werden, um das Bauteil in einem Nachbearbeitungsschritt nochmals zu pressen. Auf diese Weise kann der anfängliche Pressvorgang des ersten Presswerkzeugs in dem weiteren Werkzeug fortgesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Erhitzen des Bauteils in mindestens einem der weiteren Werkzeuge erfolgen, um eine Aushärtereaktion des lediglich teilweise ausgehärteten Bauteils zumindest teilweise fortzusetzen oder sogar vollständig abzuschließen, so dass in letztgenanntem Fall ein vollständig ausgehärtetes Bauteil erzeugt wird. Aufgrund der beschriebenen mehrstufigen Nachbearbeitung kann somit ein einmaliges Umsetzten des erzeugten Bauteils von dem Presswerkzeug in ein weiteres Werkzeug erfolgen oder sogar ein mehrmaliges Umsetzen in mehr als nur ein weiteres Werkzeug.
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Somit bilden das erste Presswerkzeug und zumindest eines der weiteren Werkzeuge aus der zweiten Anzahl von weiteren Werkzeugen eine mehrstufige Pressenstraße, so dass das Bauteil das erste Presswerkzeug und das zumindest eine weitere Werkzeug nacheinander durchläuft. Das erste Presswerkzeug und die zu durchlaufenden weiteren Werkzeuge bilden folglich einen mehrstufigen Werkzeugsatz.
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Dies bietet den Vorteil, dass der Verfahrensablauf in mehrere Stufen unterteilt ist, wobei in jeder Stufe ein eigenes Werkzeug vorgesehen werden kann. Somit kann einerseits das jeweilige Werkzeug optimal an den vorzunehmenden Bearbeitungsschritt angepasst sein und andererseits muss das Bauteil nicht die komplette Bearbeitungszeit in dem einen Werkzeug bleiben und dieses blockieren.
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Es lassen sich in Folge dessen höhere Taktzeiten der einzelnen Werkzeuge und eine bessere Ausnutzung insbesondere des für die Erzeugung des lediglich teilweise ausgehärteten Bauteils vorgesehenen ersten Presswerkzeugs erzielen. Dieses ist aufgrund der bereitzustellenden hohen Presskraft und einer hohen zu erzeugenden Aushärtetemperatur besonders kostenintensiv, so dass eine möglichst kurzzeitige Belegung durch das einzelne Bauteil vorgesehen werden sollte.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist die mindestens eine Fasermatte als teilespezifische Formplatine ausgebildet. Dies bedeutet, dass die mindestens eine in das Presswerkzeug einzulegende Fasermatte bereits vorab zugeschnitten ist. Optional kann diese bereits für eine gewünschte Bauteilform zugeschnitten sein, so dass der Umfang von entsprechenden Nachbearbeitungsschritten reduziert wird.
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Außerdem kann das Verfahren einen dem Pressen vorgelagerten Schritt des Kühlens der mindestens einen matriximprägnierten Fasermatte umfassen. Auf diese Weise kann eine Aushärtereaktion der Matrix bzw. der mindestens einen matriximprägnierten Fasermatte in Abhängigkeit von der Kühltemperatur verlangsamt oder sogar vollständig gestoppt werden. Außerdem bewirkt ein Kühlen eine Erhöhung der Viskosität der Matrix, so dass diese zäh wird oder sogar erstarrt bzw. sich verfestigt. Derart verfestigte Fasermatten lassen sich sodann besonders einfach handhaben und in das Presswerkzeug einlegen. Insbesondere wird hierdurch eine automatisierte Handhabung mittels Roboterarmen erleichtert.
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Des Weiteren wird ein faserverstärktes Bauteil bereitgestellt, wobei das faserverstärkte Bauteil mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils D gemäß einer Ausführungsform.
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Demnach erfolgt in einem ersten lediglich optionalen Schritt ein Kühlen 11 einer bereits vorab matriximprägnierten Fasermatte, ein sogenanntes Prepreg A. Aufgrund des Kühlens 11 verfestigt sich dieses derart, dass es besonders einfach automatisiert gehandhabt und somit in ein erstes Presswerkzeug WZ1 eingelegt 12 werden kann.
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Anschließend erfolgt ein Pressen 13 des Prepreg A in dem ersten Presswerkzeug WZ1 zum Erzeugen bzw. Aufprägen einer dreidimensionalen Struktur. Das Prepreg A wird auf diese Weise in die gewünschte spätere Form des zu erzeugenden Bauteils D gebracht. Außerdem erfolgt ein Erhitzen 14 des Prepreg A in dem Presswerkzeug WZ1 zum Aushärten einer Matrix des Prepregs A. Vorzugsweise erfolgt der Schritt des Pressens 13 und des Erhitzens 14 im Wesentlichen gleichzeitig, so dass ein Aushärten der Matrix unter Druck des Presswerkzeugs WZ1 erfolgen kann.
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Im Anschluss daran wird das hiermit erzeugte, teilweise ausgehärtete Bauteil B aus dem ersten Presswerkzeug WZ1 entnommen.
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Gemäß dem beschriebenen Verfahren sind der Schritt des Pressens 13 und der Schritt des Erhitzens 14 derart konfiguriert, dass das erzeugte Bauteil B lediglich teilweise ausgehärtet ist. Das erzeugte Bauteil B ist in dem teilweise ausgehärteten Zustand vorzugsweise formstabil, so dass die aufgeprägte dreidimensionale Struktur beim Entnehmen 15 und einem anschließenden Handhaben erhalten bleibt, ein Kern des Bauteils B jedoch noch nicht ausgehärtet ist.
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Das erzeugte und noch nicht vollständig ausgehärtete Bauteil B kann anschließend zu einer Nachbearbeitung einer Anzahl von weiteren Werkzeugen WZ2, WZ3 oder weitere zugeführt werden.
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In der dargestellten Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens wird das Bauteil B in ein zweites Werkzeug WZ2 eingelegt 16, erneut erhitzt 18 und gleichzeitig gepresst 17, um eine Formstabilität zu gewährleisten, während der noch nicht-ausgehärtete Kern des Bauteils B weiter ausgehärtet wird. Beispielsweise kann ein Pressdruck hierbei deutlich geringer konfiguriert sein als in dem ersten Presswerkzeug WZ1, da das Bauteil B bereits seine Form aufweist und diese lediglich durch einen erneuten Druck beibehalten werden soll.
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Anschließend wird das zwischenzeitlich weiter ausgehärtete Bauteil C aus dem zweiten Werkzeug WZ2 entnommen 19 und beispielsweise einem nachfolgenden dritten Werkzeug WZ3 zugeführt 20. In diesem wird das Bauteil C nach einem Einlegen 20 zur Nachbearbeitung erneut in einem Pressschritt unter Druck gesetzt 21 und gleichzeitig auf gewünschte Abmaße zugeschnitten 22 zum Erzeugen und Entnehmen 23 des im Wesentlichen fertigen Bauteils D. Optional ist auch in diesem Werkzeug selbstverständlich ein Erhitzen möglich.
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Auf diese Weise kann das erste Presswerkzeug WZ1 entlastet und frühestmöglich zur Erzeugung neuer Bauteile bereitgestellt werden.
