DE102012108168A1

DE102012108168A1 - Umformwerkzeug sowie Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffbauteilen

Info

Publication number: DE102012108168A1
Application number: DE201210108168
Authority: DE
Inventors: Christopher Smith; Casper Benteler
Original assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Current assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: DE102012108168B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umformvorrichtung (1) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteil bzw. einer Preform. Hierzu weist ein Umformwerkzeug (1) eine Vielzahl von nadelartigen Fortsätzen (6) auf, die gegenüber einer Formoberfläche (4) des Umformwerkzeugs (1) hervorstehend ausgebildet sind. So wird es ermöglicht, Faserscharen (13), die aus Rovings bzw. Fasersträngen bestehen, kammartig über das Umformwerkzeug (1) zu ziehen, wobei die Faserscharen (13) durch die nadelartigen Fortsätze (6) lagefixiert sind und gleichzeitig die Möglichkeit gegeben ist, bei weiterer Ausführung der Umformbewegung beide Enden der Faserschar (13) in den Formhohlraum (5) einzuziehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffbauteilen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 9.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen herzustellen. Insbesondere in der Automobilfertigung wurde seit je her die Außenhaut eines Kraftfahrzeugs aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise aus einem Stahlblech oder aber auch aus einem Aluminiumblech, hergestellt. Hierzu werden Bauteile in Umformwerkzeugen in die gewünschte Form gebracht und weisen gleichzeitig gute, hochfeste oder sogar höchstfeste Festigkeitseigenschaften auf, wobei diese Bauteile insbesondere in der Serienfertigung in hohen Stückzahlen mit geringen Produktionstoleranzen herstellbar sind.
In zunehmendem Maße ist jedoch die Umsetzung von konsequentem Leichtbau auch in die Serienproduktion von Automobilen eingezogen, weshalb Bauteile aus Faserverbundwerkstoff hochfeste oder sogar höchstfeste Eigenschaften mit besonders geringem Bauteilgewicht vereinen. Problematisch hierbei war bisher die Herstellung mit nur geringen Produktionstoleranzen bei gleichzeitig überschaubaren Produktionskosten. Hierzu haben sich in den letzten Jahren Verfahren entwickelt, mit denen eine industrielle Serienfertigung von Faserverbundwerkstoffbauteilen realisierbar ist, die dann eine hohe Produktionsgenauigkeit bei gleichzeitig akzeptablen Produktionskosten, jedoch geringem Eigengewicht und hohen Festigkeitseigenschaften aufweisen. Hierzu werden Faserwerkstoffe mit Matrixharz versehen und analog zu Blechumformverfahren in Gesenkwerkzeugen, beispielsweise in Umformwerkzeugen mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug, in die gewünschte Form gebracht und dort ausgehärtet, so dass anschließend das Bauteil entnommen werden kann. Gegebenenfalls sind Überarbeitungen in Form von Oberflächenbehandlungen oder aber Randbeschneidungen erforderlich.
Insbesondere wird maßgeblich eine Preform, mithin eine Vorform, des Bauteils selber erzeugt und anschließend ein bereits innerhalb des Faserwerkstoffs befindliches Matrixharz aktiviert oder aber ein Matrixharz hinzugefügt. Insbesondere werden bei bereits mit Matrixharz versehenen Faserwerkstoffen Prepregmaterialien eingesetzt, die durch Hinzufügung von Temperatur oder aber Chemikalien oder Druck ein bereits enthaltenes Matrixharz aktivieren und im Anschluss daran das Matrixharz mit dem Faserwerkstoff zu einem Faserverbundwerkstoff aushärtet.
Bei einem RTM-Verfahren wird zunächst ein Faserwerkstoff vorgeformt und sodann in die Form ein Matrixharz injiziert, wobei dann wiederum das Matrixharz mit dem Faserwerkstoff zu einem Faserverbundwerkstoffbauteil aushärtet.
Insbesondere können mit diesem Verfahren beispielsweise Dachhäute oder aber auch Motorhauben, mithin großflächige Bauteile mit nur geringen Umformgraden in Serie kostengünstig hergestellt werden.
Sofern jedoch zumindest lokal hohe Umformgrade herzustellen sind, eignen sich die vorgenannten Preformverfahren nur bedingt. Hierbei kann es zu einem Abscheren oder aber Reißen zumindest einzelner Faserstränge innerhalb des Faserwerkstoffs derart kommen, dass lokale Ausdünnungen erfolgen, die dann zu Ausschussware oder aber Ware mit verminderter Produktionsqualität führen. Insbesondere zur Herstellung von Kraftfahrzeugstrukturbauteilen, mit crashrelevanten Eigenschaften, die aufgrund der Gewichtsoptimierung wenig überschüssige Werkstoffmasse besitzen sollen, zum anderen für die Crashanforderung eine besonders hohe Produktionsgenauigkeit besitzen müssen, ist dies jedoch nachteilig.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2010 015 199 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, mit dem entsprechende Kraftfahrzeugbauteile herstellbar sind, wobei über einen Legearm einzelne Faserstränge oder Faserrovings auf einer Form abgelegt werden. Die jeweiligen Enden der Faserstränge werden dabei mittels Randfixierungsmechanismen, die beispielsweise über Unterdruck, Gefriergreifer oder aber auch über randseitige Haken ausgebildet sind, lagefixiert. Hierdurch wird jedoch noch nicht die Problematik gelöst, dass bei Schließen eines Umformwerkzeugs im Bereich von lokal hohen Umformgraden ein Abgleiten oder aber Abscheren und auch sogar ein Abreißen von einzelnen Fasersträngen erfolgen kann.
Hierzu ist es aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, einzelne auf einem Werkzeug abgelegte Faserstränge oder aber auch Rovings miteinander zu verflechten, zu verweben oder aber auch untereinander zu vernähen. Dies bedeutet jedoch zum einen einen erhöhten Aufwand in der Herstellung des Bauteils durch den vorgeschalteten Flecht-, Web- oder aber Nähvorgang, zum anderen tragen die zusätzlichen Flecht-, Web- oder Nähnähte nicht oder aber nur unwesentlich zu einer Festigkeitssteigerung bei und sorgen darüber hinaus für einen erhöhten Materialaufwand sowie ein erhöhtes Bauteilgewicht. Unter Umständen können sich die hierdurch entstehenden lokalen Aufdickungen insbesondere in einem Formhohlraum sogar kontraproduktiv auf einen Matrixharzeintrag oder aber auch auf die hergestellte Oberflächenqualität des Faserverbundwerkstoffbauteils auswirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Umformwerkzeug zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils sowie ein Verfahren zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen bereit zu stellen, mit dem kostengünstig und zeiteffizient eine Preform mit zumindest lokal hohen Umformgraden herstellbar ist, bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit und geringen Produktionstoleranzen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 9 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemäße Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen, insbesondere zum Herstellen einer Preform, wobei das Umformwerkzeug ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug aufweist, wobei bei geschlossenem Oberwerkzeug und Unterwerkzeug ein Formhohlraum zum Anordnen eines Fasermaterials verbleibt, ist dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Formoberfläche des Oberwerkzeugs und/oder des Unterwerkzeugs eine Vielzahl von nadelartigen Fortsätzen ausgebildet ist.
Die nadelartigen Fortsätze ragen somit in den Formhohlraum hinein, wobei die Möglichkeit entsteht, dass durch die nadelartigen Fortsätze einen auf der jeweiligen Formoberfläche zu Anlage kommender Faserwerkstoff durch die nadelartigen Fortsätze in Position gehalten wird. Es kommt somit nicht bereits bei einem Drapieren zu einem Abrutschen von Fasermaterial, beispielsweise von einer Erhöhung und auch nicht beim weiteren Schließvorgang des Umformwerkzeugs, bei dem ein Einziehen bzw. Nachziehen des Faserwerkstoffs zur Ausgestaltung der dreidimensionalen Formgebung des herzustellenden Bauteils erfolgt, zu einem Abgleiten oder Abscheren des Faserwerkstoffs, da die einzelnen Faserstränge bzw. Rovings durch die nadelartigen Fortsätze in ihrer Position gehalten werden.
Die nadelartigen Fortsätze sind insbesondere als Nadeln mit den Formoberflächen des Oberwerkzeugs und/oder Unterwerkszeugs gekoppelt, insbesondere in diese eingesteckt. Ganz besonders bevorzugt sind die nadelartigen Fortsätze auf dem Unterwerkzeug angeordnet, da bei Einlegen bzw. Drapieren des Faserwerkstoffs zunächst aufgrund der Schwerkrafteinwirkung ein Anliegen an oder auf der Formoberfläche des Unterwerkzeugs erfolgt.
Damit das Umformwerkzeug eine Schließbewegung durchführen kann, so dass die Formoberflächen von Oberwerkzeug und Unterwerkzeug derart aufeinander zubewegt werden, dass ein Formhohlraum verbleibt, sind die nadelartigen Fortsätze relativbeweglich zu der Oberfläche ausgebildet und/oder auf der dem jeweiligen nadelartigen Fortsatz gegenüberliegenden Formoberfläche ist eine Ausnehmung vorhanden, so dass der nadelartige Fortsatz bei Ausführen der Schließbewegung von Oberwerkzeug und Unterwerkzeug in die Ausnehmung einfährt. Somit wird die Schließbewegung nicht durch die nadelartigen Fortsätze behindert, wobei die nadelartigen Fortsätze eine Länge aufweisen können, die größer ist als der Abstand beider Formoberflächen bei geschlossenem Umformwerkzeug.
Im Rahmen der Erfindung sind dazu insbesondere die nadelartigen Fortsätze in vertikaler Richtung orientiert, ganz besonders bevorzugt verlaufen sie parallel zu der Richtung der Schließbewegung von Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug. Hierdurch wird insbesondere bei nadelartigen Fortsätzen, die in Ausnehmungen einfahren, sichergestellt, dass die Schließbewegung des Umformwerkzeugs durchführbar ist. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch bei nadelartigen Fortsätzen, die federnd gelagert sind, möglich, dass diese nicht parallel zu der Schließbewegung orientiert sind, wobei durch den formschlüssigen Anlagenkontakt mit der gegenüber liegenden Formoberfläche der nadelartige Fortsatz in das Werkzeug entgegengesetzt einer Federkraft eingefahren wird, mit dem es gekoppelt ist.
Weiterhin bevorzugt können die nadelartigen Fortsätze aktiv ausfahrbar ausgebildet sein, insbesondere mit Hilfe eines Stellaktuators, oder aber die nadelartigen Fortsätze sind federnd gelagert. Insbesondere bieten sich hierzu Spiraldruckfedern an, da diese eine hohe mechanische Ausfallsicherheit besitzen und bei bis zu mehreren Dutzend oder gar mehreren Hundert nadelartigen Fortsätzen auf einem Umformwerkzeug eine kostengünstige Herstellungsmöglichkeit des Werkzeugs selber bieten. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass die nadelartigen Fortsätze, insbesondere nach Ausführen der Schließbewegung, in das Umformwerkzeug hineingezogen werden. Bei passiv, federnd gelagerten nadelartigen Fortsätzen, die durch formschlüssigen Anlagenkontakt der gegenüberliegenden Formoberfläche entgegengesetzt der Federkraft in eine Lageausnehmung eingefahren werden, ragen diese bei vollständig geschlossenem Umformwerkzeug immer noch mit einem Überstand gegenüber der Formoberfläche in den Formhohlraum hinein. Bei der Entnahme des so hergestellten Bauteils kann es somit hinderlich sein, dass die nadelartigen Fortsätze sich noch zumindest teilweise in dem Formhohlraum befinden. Hierbei wird es besonders vorteilig, wenn die nadelartigen Fortsätze während oder nach Abschluss eines Formgebungsprozesses aus dem Formhohlraum entfernt werden. Insbesondere werden die nadelartigen Fortsätze dann in das Innere des Umformwerkzeugs gezogen.
Damit zum einen die direkt zuvor beschriebene Einziehbewegung möglich ist, ohne die Faserstränge des Faserwerkstoffs zu beschädigen, zum anderen jedoch auch die Möglichkeit gegeben wird, Faserstränge oder Rovings derart auf dem Unterwerkzeug zu drapieren, so dass sie kammartig durch die nadelartigen Fortsätze gezogen werden, weisen die nadelförmigen Fortsätze insbesondere eine Antihaftoberfläche auf. Diese Antihaftoberfläche kann beispielsweise in Form einer extern aufgebrachten Beschichtung ausgebildet sein, die zum einen eine gute Gleiteigenschaft gegenüber dem verwendeten Faserwerkstoff aufweist, so dass die Fasern im Vorbeiziehen oder aber beim Herausziehen nicht reißen oder anderweitig beschädigt werden, zum anderen kann die Antihaftoberfläche auch in einer besonders glatten Oberflächeneigenschaft der nadelförmigen Fortsätze ausgebildet werden. Es wird somit und auch durch die zuvor beschriebenen Merkmale ermöglicht, mit dem erfindungsgemäßen Umformwerkzeug verschiedenste Faserwerkstoffarten, beispielsweise Basaltfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder aber auch metallische Fasern und insbesondere auch Glasfasern oder Mischformen der zuvor genannten Faserarten zu verarbeiten.
Bevorzugt sind die nadelförmigen Fortsätze in einem gleichmäßigen Muster auf der Formoberfläche des Oberwerkzeugs und/oder Unterwerkzeugs angeordnet, wobei insbesondere in Bereichen einer Außenwölbung eine erhöhte Anzahl von nadelartigen Fortsätzen angeordnet sein kann. In Bereichen einer Erhöhung bzw. Außenwölbung der jeweiligen Formoberfläche besteht in erhöhtem Maße die Gefahr, dass bei Schließen des Umformwerkzeugs ein Abscheren bzw. ein Abgleiten erfolgt. Durch die erhöhte Dichte von nadelartigen Fortsätzen in diesem Bereich wird hier eine besonders hohe Formgebungsgenauigkeit in der Positionierung und Ausrichtung der einzelnen Faserstränge bzw. Faserrovings erreicht.
Damit die auf dem Umformwerkzeug abgelegten Faserwerkstoffe während des Schließvorgangs des Umformwerkzeugs lagefixiert gehalten sind, ist ferner eine Klemmvorrichtung vorgesehen, mit der der auf dem Umformwerkzeug drapierte Faserwerkstoff mindestens an einer Seite lagefixiert ist. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch ebenfalls möglich, über die Klemmvorrichtung mindestens einen Teil des Faserwerkstoffs auf dem Unterwerkzeug abzulegen.
Dabei erfolgt ganz besonders bevorzugt ein kammartiges Aufziehen von einzelnen Fasersträngen oder aber Faserrovings und insbesondere einer Faserschar derart, dass die zuvor genannten Werkstoffe kammartig über die nadelartigen Fortsätze gestreift werden und bei Erreichen des Klemmwerkzeugs auf der Seite, an dem diese fixiert werden sollen, erfolgt eine formschlüssige Lagefixierung.
Ferner ist insbesondere dem Umformwerkzeug weiterhin eine Trenneinrichtung zugeordnet derart, dass bei Schließen des Umformwerkzeugs oder aber bei Abschluss des Schließ- bzw. Formgebungsprozesses die überstehenden Faserwerkstoffe abgeschnitten werden.
Optional ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug beheizt werden. Beispielsweise können Heizelemente oder aber auch Induktionselemente in dem Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug integriert sein, so dass insbesondere auf die in dem Formhohlraum befindlichen Faserverbundwerkstoffe eine Wärmeeinwirkung ausgeübt werden kann. Insbesondere kann ein Binder in dem Faserwerkstoff aktiviert werden, so dass die Preform hergestellt wird.
Im Rahmen der Erfindung sind weiterhin die nadelartigen Fortsätze besonders bevorzugt aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet. Insbesondere kommt hier ein Gummiwerkstoff zum Einsatz und/oder ein anderer flexibler und/oder elastischer Werkstoff, durch den die nadelartigen Fortsätze in sich gebogen und/oder gestaucht werden können. Sollte somit eine Fehlstellung oder aber ein Kontakt mit der gegenüberliegenden Formoberfläche während des Vorformvorgangs erfolgen, so bricht der nadelartige Fortsatz nicht ab, sondern wird lediglich in sich verbogen.
Weiterhin bevorzugt können die nadelartigen Fortsätze über einen elastische Koppelung in oder an der Formoberfläche gekoppelt sein. Beispielsweise ist hier eine Gelenkkoppelung oder aber auch eine gummiartige Wurzel vorstellbar, so dass der nadelartige Fortsatz entweder starr ausgebildet sein kann und über die elastische Koppelung abbiegbar ist oder aber sowohl über die elastische Koppelung abbiegbar ist, als auch durch eine elastische Ausbildung des nadelartigen Fortsatzes selber in sich stauchbar oder biegbar ist.
Weiterer Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils, insbesondere einer Preform, die dann zu dem Faserverbundwerkstoffbauteil durch Hinzufügen oder aber Aktivieren von Binder und/oder Matrixharz genutzt wird. Das Verfahren wird erfindungsgemäß auf dem zuvor beschriebenen Umformwerkzeug hergestellt und ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Bereitstellen eines Fasermaterials,
– Anordnen des Fasermaterials zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug,
– Schließen des Umformwerkzeugs.

Das Fasermaterial kann dabei im Rahmen der Erfindung beispielsweise flächig bereit gestellt werden, wobei das Fasermaterial insbesondere dann auf dem Unterwerkzeug mit den nadelartigen Fortsätzen abgelegt wird oder aber auch in einem Spannrahmen eingespannt ist, der dann zwischen den Werkzeugen angeordnet wird, wobei die Werkzeuge anschließend eine Schließbewegung ausführen.
Bevorzugt werden jedoch im Rahmen der Erfindung Faserstränge, Rovings oder aber eine Faserschar, die aus mehreren unidirektionalen Rovings gebildet wird, derart auf dem Unterwerkzeug drapiert, dass sie über das Unterwerkzeug gestreift werden und die nadelartigen Fortsätze dabei kammartig in die Zwischenräume der Rovings bzw. Faserstränge eingreifen, diese jedoch gleichzeitig orthogonal zu der Streifrichtung bzw. Zugrichtung derart lagefixieren, dass sie nicht linksseitig oder aber rechtsseitig während des Aufziehvorgangs abgleiten bzw. abscheren können. Hierdurch wird ein großer Freiheitsgrad in der Ausrichtung bzw. Orientierung des Faserwerkstoffs gegeben. So müssen diese nicht bereits zuvor miteinander verwebt oder aber vernäht werden oder aber ein Geflecht aus einzelnen Fasersträngen oder aber Rovings bereit gestellt werden, die einzelnen Faserstränge, Rovings oder aber auch Faserscharen können dann einfach oder aber auch mehrlagig, insbesondere gegeneinander kreuzend, über dem Unterwerkzeug abgestreift werden.
Beispielsweise können zwei Faserstränge, Rovings oder aber auch Faserscharen zueinander in einem 90° Winkel verlegt werden, wobei beispielsweise in Relation zu dem Umformwerkzeug ein erster Faserstrang, Roving oder aber eine Faserschar in einem Winkel von 45° zu dem Umformwerkzeug aufgezogen wird und anschließend ein zweiter Faserstrang, Roving oder aber eine Faserschar in einem Winkel von –45° auf dem Umformwerkzeug aufgezogen wird. Beide haben dann einen Winkel von 90° zueinander.
Durch die nadelartigen Fortsätze sind die Faserstränge, Rovings oder aber Faserscharen dann formschlüssig lagefixiert, insbesondere auch während des Umformvorgangs. Eine lokale Ausdünnung aufgrund hoher Umformgrade oder aber eines Abscherens bzw. Abgleitens von einer Erhebung oder aber Außenwölbung von einer Formoberfläche wird hierdurch vermieden. Ein zusätzliches Fixieren innerhalb des Formhohlraums, beispielsweise durch ein Paneel oder aber zusätzliche Fixierungsmittel kann ebenfalls unterbleiben, wobei sich eine solche zusätzliche Fixierungsmaßnahme auch nachteilig auf den Umformvorgang selbst auswirken würde, was durch die erfindungsgemäßen nadelartigen Fortsätze gänzlich unterbunden wird.
Ein weiterer besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist jedoch, dass während des Umformvorgangs zunächst die einzelnen Faserstränge, Rovings oder aber Faserscharen im Wesentlichen in zweidimensionaler Form über das Umformwerkzeug gezogen werden und beim Schließen des Umformwerkzeugs zu einer dreidimensionalen Preform umgeformt werden. Hierdurch erfahren die Faserstränge, Rovings oder Faserscharen eine zusätzliche Längenänderung, wobei sie dann in den Formhohlraum eingezogen werden. Durch die nadelartigen Fortsätze ist ein solches Einziehen in den Formhohlraum möglich.
Nach Abschluss des Umformvorgangs ist es dann möglich, überstehendes Fasermaterial abzuschneiden und beispielsweise bereits in den Fasersträngen, Rovings oder aber Faserscharen vorhandenen Binder zu aktivieren, beispielsweise durch thermische Einwirkung in Folge eines Erwärmens. Insbesondere bei letzteren Vorgängen zur Herstellung des Faserverbundwerkstoffbauteils ist es möglich, die nadelartigen Fortsätze kurz vor oder aber nach Abschluss des Umformvorgangs aus dem hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteil bzw. der hergestellten Preform durch Einziehen in Richtung des Oberwerkzeugs und/oder Unterwerkzeugs herauszuziehen, wobei dann das Umformwerkzeug gegebenenfalls um ein weiteres Stück geschlossen wird, so dass die darin befindenden Faserstränge, Rovings oder Faserscharen miteinander verpresst werden und eventuell durch die nadelartigen Fortsätze verbleibende Hohlräume verschlossen werden. Das so hergestellte Faserverbundwerkstoffbauteil bzw. die hergestellte Preform weisen mithin keine Löcher in ihrer Struktur auf, die durch die nadelartigen Fortsätze hergestellt waren.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Es zeigen:
1a bis c ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug sowie ein damit durchgeführtes Herstellungsverfahren mit nadelartigen Fortsätzen,
2a bis c ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren und ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug mit einfahrenden nadelartigen Fortsätzen,
3a und b ein Drapieren von Faserwerkstoff auf einem Unterwerkzeug und
4 ein erfindungsgemäßes Unterwerkzeug in einer perspektivischen Darstellung.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1a bis c zeigen ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug 1 aufweisend ein Oberwerkzeug 2 und ein Unterwerkzeug 3. Das Oberwerkzeug 2 und das Unterwerkzeug 3 weisen jeweils eine Formoberfläche 4 auf, zwischen denen, in 1c gezeigt, ein Formhohlraum 5 bei geschlossenem Umformwerkzeug 1 ausgebildet wird. Ferner dargestellt weist das Unterwerkzeug 3 gegenüber seiner Formoberfläche 4 abstehende nadelartige Fortsätze 6 auf, die bei Ausführen der Schließbewegung gemäß 1a bis c in Schließrichtung S in in dem Oberwerkzeug 2 ausgebildete Ausnehmungen 7 einfahren. Dabei durchstechen die nadelartigen Fortsätze 6 ein zwischen Oberwerkzeug 2 und Unterwerkzeug 3 angeordneten Faserwerkstoff 8 und halten diesen derart lagefixiert, dass er nicht seitlich, bezogen auf die Bildebene, in die Bildebene hinein oder aus der Bildebene heraus abgleiten oder abscheren kann, wohl aber von 1b zu 1c weiter in Zugrichtung Z in das Umformwerkzeug 1, mithin in den Formhohlraum 5, eingezogen wird.
Hierzu ist der Faserwerkstoff 8 an einer Klemmvorrichtung 9 befestigt, die ihn auf einer Seite des Umformwerkzeugs 1 lagefixiert, wobei er an der gegenüberliegenden Seite in Zugrichtung Z in das Umformwerkzeug 1 während des Umformvorgangs eingezogen wird. Kurz vor Abschluss oder aber bei Erreichen der gewünschten Formgebung gemäß 1c wird der Faserwerkstoff 8 dann abgetrennt. Damit die nadelartigen Fortsätze 6 gemäß 1a bis c in die jeweilige Ausnehmung 7 in dem Oberwerkzeug 2 einfahren können, sind sie parallel zu der Schließrichtung S ausgerichtet.
2a bis c zeigt eine im Wesentlichen analoge Anordnung eines Umformwerkzeugs 1, wobei hier ebenfalls ein Faserwerkstoff 8 über eine Klemmeinrichtung 9 derart zwischen einem Oberwerkzeug 2 und einem Unterwerkzeug 3 angeordnet wird, dass bei 2c in einem geschlossenen Formhohlraum 5 eine dreidimensionale Formgebung erfolgt. Im Unterschied zu 1 weist das Umformwerkzeug 1 federnd gelagerte nadelartige Fortsätze 6 auf, wobei die nadelartigen Fortsätze 6 über eine Feder 10 derart gelagert sind, dass sie bei formschlüssigem Anlagenkontakt mit der Formoberfläche 4 des Oberwerkzeugs 2 in eine Federausnehmung 11 des Unterwerkzeugs 3 entgegengesetzt der Federkraft eingedrückt werden. Im Rahmen der Erfindung ist es ferner möglich, die nadelartigen Fortsätze 6 gemäß 2c in der dort dargestellten Position lagezufixieren oder aber weiter zurückzuziehen, so dass bei anschließendem Öffnen des Umformwerkzeugs 1 die so hergestellte Preform oder das hergestellte Faserverbundwerkstoffbauteil aus diesem leicht entnommen werden kann.
Ferner dargestellt ist in 3a und b ein erfindungsgemäßes Unterwerkzeug 3 in einer Draufsicht, wobei das Unterwerkzeug 3 eine Vielzahl von nadelartigen Fortsätzen 6 aufweist. Dargestellt ist ein Randbereich 12 einer herzustellenden Form, über die exemplarisch hier eine Vielzahl von Faserscharen 13 mittels der Klemmvorrichtung 9 in Zugrichtung Z gezogen wurde. Die Klemmvorrichtung 9 wird dabei als Drapierwerkzeug genutzt. Die Klemmvorrichtung 9 wird dann lagefixiert an einer Seite des Umformwerkzeugs 1, wobei auf der gegenüberliegenden Seite der Klemmvorrichtung 9 ein weiteres Einziehen der Faserscharen 13 in Zugrichtung Z bei Ausführen der Schließbewegung des Umformwerkzeugs 1 ermöglicht wird. In 3b dargestellt ist ein kammartiges Aufziehen von Faserscharen 13 auf ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug 1 in einem Winkel α, wobei hier ebenfalls in Zugrichtung Z das kammartige Aufziehen auf die nadelförmigen Fortsätze 6 erfolgt ist, wobei wiederum weitere Faserscharen 13 in beliebiger Orientierung auf das Umformwerkzeug 1 aufgezogen werden können.
Im Rahmen der Erfindung ist es hier möglich, zunächst mit der Klemmvorrichtung 9 eine bestimmte Anzahl Faserscharen 13 in einer Orientierung über das Unterwerkzeug 3 zu drapieren, sodann das Oberwerkzeug 2 und das Unterwerkzeug 3 zusammenzufahren und zu schließen und die zunächst drapierten Faserscharen vorzuformen. Im Anschluss daran wird das Oberwerkzeug 2 angehoben und beispielsweise gemäß 3b eine neue Anzahl von Faserscharen 13 in einem Winkel zur ersten Anzahl von Faserscharen 13 auf dem Unterwerkzeug 3 drapiert und sodann wiederum das Oberwerkzeug 2 und das Unterwerkzeug 3 zusammengefahren. Dieser Vorgang ist dann beliebig oft wiederholbar, so dass verschiedene Orientierungen oder aber auch zumindest örtlich voneinander verschiedene Wandstärken an der Preform problemlos mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisierbar sind.
Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, hierdurch in ihrer Wandstärke relativ dicke Preformen herzustellen, da der Verzug innerhalb des Bauteils aufgrund der Formung einer jeden Lage einzeln gering gehalten wird. Wellen oder Faltenbildung während der Umformung des viellagigen Faserwerkstoffs wird hierdurch vermieden.
Als weiterer besonderer Vorteil ist im Rahmen der Erfindung gemäß 1c und 2c anzusehen, dass ein randseitiger Beschnitt auf die Bildebene bezogen auf der linken Seite, nur einseitig erfolgt und somit der Beschnitt bzw. der produzierte Faserrest auf ein Minimum reduzierbar ist. Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere weiterhin der auf die rechte Bildseite bezogene Überstand des Faserstrangs, welcher in der Klemmvorrichtung 9 eingeklemmt ist, auf ein Minimum reduziert.
Ferner ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den in 1c und 2c jeweils auf der linken Bildseite dargestellten Faserstrang im Bereich des Randbeschnittes auf 0 zu reduzieren. Das heisst, die hergestellte Preform kann innerhalb der Form bis an ihren Rand beschnitten werden, so dass wenig oder gar kein Verschnitt in Form von Produktionsresten vorliegt. Ebenfalls der auf der rechten Bildseite in der Klemmvorrichtung 9 dargestellte überstehende Faserstrang kann bis an den Rand der Form abgeschnitten werden. Anstelle eines Faserstranges kann auch eine Faserschar eingelegt bzw. drapiert und beschnitten werden.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Unterwerkzeug 3 mit einer Formoberfläche 4, wobei auf der Formoberfläche 4 eine Vielzahl von nadelartigen Fortsätzen 6 angeordnet ist. Diese weisen gemäß 3a und b ein gleichmäßiges Flächenmuster zueinander auf, können jedoch beispielsweise bei außenseitigen Wölbungen 14 in ihrer Anordnungsdichte erhöht sein.
Bezugszeichenliste

1: Umformwerkzeug
2: Oberwerkzeug
3: Unterwerkzeug
4: Formoberfläche
5: Formhohlraum
6: nadelartiger Fortsatz
7: Ausnehmung
8: Faserwerkstoff
9: Klemmvorrichtung
10: Feder
11: Federausnehmung
12: Randbereich
13: Faserschar
14: außenseitige Wölbung
S: Schließrichtung
Z: Zugrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010015199 A1 [0009]

Claims

Umformwerkzeug zum Herstellen von Faserverbundwerkstoffbauteilen, insbesondere zum Herstellen einer Preform, wobei das Umformwerkzeug (1) ein Oberwerkzeug (2) und ein Unterwerkzeug (3) aufweist, wobei bei geschlossenem Oberwerkzeug (2) und Unterwerkzeug (3) ein Formhohlraum (5) zum Anordnen eines Fasermaterials verbleibt, dadurch gekennzeichnet, den auf einer Formoberfläche (4) des Oberwerkzeuges (2) und/oder des Unterwerkzeuges (3) eine Vielzahl von nadelartigen Fortsätzen (6) ausgebildet ist.
Umformwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelartigen Fortsätze (6) relativbeweglich zu der Formoberfläche (4) ausgebildet sind und/oder dass auf der den nadelartigen Fortsätzen (6) gegenüberliegenden Formoberfläche (4) Ausnehmungen (7) vorhanden sind, wobei die nadelartigen Fortsätze (6) bei Ausführen der Schließbewegung von Oberwerkzeug (2) und Unterwerkzeug (3) in die Ausnehmungen (7) einfahren und dass die nadelartigen Fortsätze (6) bevorzugt in Richtung der Schließbewegung von Oberwerkzeug (2) und/oder Unterwerkzeug (3) orientiert sind.
Umformwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelartigen Fortsätze (6) aktiv ausfahrbar sind, insbesondere mittels eine Stellaktuators und/oder dass die nadelartigen Fortsätze (6) federnd gelagert sind und dass die nadelartigen Fortsätze (6) bevorzugt in Richtung der Schließbewegung von Oberwerkzeug (2) und/oder Unterwerkzeug (3) orientiert sind.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelartigen Fortsätze (6) beschichtet sind, insbesondere mit einer Anti-Haft Beschichtung.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelartigen Fortsätze (6) in einem gleichmäßigen Muster auf der Formoberfläche (4) des Oberwerkzeuges (2) und/oder Unterwerkzeuges (3) angeordnet sind, wobei insbesondere in Bereichen einer Außenwölbung eine erhöhte Anzahl an nadelartigen Fortsätzen (6) angeordnet ist.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Klemmvorrichtung (9) vorgesehen ist, die einen auf dem Unterwerkzeug (3) aufgelegten Faserwerkstoff (8) während des Schließvorgang des Umformwerkzeuges (1) lagefixiert hält, wobei die Klemmvorrichtung (9) insbesondere dazu nutzbar ist, mindestens einen Teil des Fasermaterials auf dem Unterwerkzeug (3) abzulegen.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberwerkzeug (2) und/oder Unterwerkzeug (3) beheizbar sind.
Umformwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelartigen Fortsätze (6) elastisch ausgebildet sind und/oder dass die nadelartigen Fortsätze (6) über eine elastische Koppelung an und/oder in der Formoberfläche (4) gekoppelt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils, insbesondere einer Preform, mit einem Umformwerkzeug (1) gemäß den Merkmalen von mindestens Patentanspruch 1, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Fasermaterials, – Anordnen des Fasermaterials zwischen dem Oberwerkzeug (2) und dem Unterwerkzeug (3), – Schließen des Umformwerkzeuges (1).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial auf einem Spannrahmen bereitgestellt wird, wobei der Spannrahmen zwischen dem Oberwerkzeug (2) und dem Unterwerkzeug (3) angeordnet wird oder dass das Fasermaterial auf dem Unterwerkzeug (3) abgelegt wird, insbesondere wird das Fasermaterial mittels eines Drapierwerkzeuges über das Unterwerkzeug (3) in die gewünschte Position gestriffen, wobei die nadelartigen Fortsätze (6) des Unterwerkzeuges (3) ein Abgleiten des Faserwerkstoffes während des Streifvorganges verhindern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserwerkstoff (8) Faserrovings, insbesondere eine Faserschar (13) verwendet wird, wobei bevorzugt mehrer Faserscharen (13) nebeneinander und/oder übereinander, besonders bevorzugt in einem Winkel zueinander orientiert auf dem Unterwerkzeug (3) abgestriffen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der auf dem Unterwerkzeug (3) abgelegte Faserwerkstoff (8) mindestens an einer Seite gehalten wird, insbesondere durch die Klemmvorrichtung (9) und dass der auf der gegenüberliegenden Seite überstehende Teil des Faserwerkstoffes (8) abgeschnitten wird, insbesondere nach Abschluss des Umformvorganges.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nadelartigen Fortsätze (6) nach Abschluss des Umformvorganges aus dem hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteil durch Einziehen in Richtung des Oberwerkzeuges (2) und/oder Unterwerkzeuges (3) herausgezogen werden.