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Die Erfindung betrifft ein Formwerkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen gemäß Patentanspruch 6.
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Moderne Faserverbundwerkstoffe bestehen zum einen aus verstärkten Fasern und zum anderen aus flüssigen, reaktiven Polymersystemen, sogenannten Harzen oder Matrixsystemen, die während der Verarbeitung aushärten.
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Dazu ist es nötig, dass das Formwerkzeug während des unter Druckeinfluss verlaufenden Injektionsprozesses abgedichtet ist. Konventionelle Dichtungen, die oftmals aus Kautschuk oder Silikon bestehen, verschleißen aber im Serienbetrieb sehr stark. Gründe hierfür sind zum einen hohe mechanische Lasten, bedingt durch die notwendigen Schließkräfte aufgrund hoher Innendrücke. Zum anderen führen chemisch aggressive Medien, meist aminische oder anhydritische Härter, zu einer Degradation der Dichtungen.
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Als Folge des hohen Verschleißes sind verhältnismäßig kurze Standzeiten auch in der Praxis die Regel, sehr kurze Wartungsintervalle sind die Folge. Die daraus entstehenden Kosten sind wirtschaftlich auf Dauer nicht tragbar.
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Ein gattungsgemäßes, sämtliche Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 aufweisendes Formwerkzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen ist in der
EP 2 441 556 A2 offenbart. Nach der Lehre der
EP 2 441 556 A2 weist das Formwerkzeug zum Abdichten einen Dichtbereich auf, in den eine fließfähige polymere Dichtmasse eingebracht wird, die unter Zuführung von Wärme aushärtbar ist. Da während Herstellung eines faserverstärkten Bauteils zum Abdichten immer die Zuführung der polymeren Dichtmasse erforderlich ist, fallen beim Betrieb des Formwerkzeugs verhältnismäßig hohe Betriebskosten auf. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Formwerkzeug neben einer Injektionseinrichtung für das Zuführen der Harzmasse eine weitere Injektionseinrichtung für das Zuführen der Dichtmasse aufweisen muss, sodass das Formwerkzeug einen komplexen Aufbau aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Formwerkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art derart weiterzubilden, dass neben langen Standzeiten und geringen Betriebskosten insbesondere auch ein einfacher Aufbau des Formwerkzeugs gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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In bekannter Art und Weise umfasst das Formwerkzeug zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen zwei Formteile, die gegeneinander zu öffnen und zu schließen sind und im geschlossenen Zustand eine Kavität bilden, in die ein Faserhalbzeug einlegbar ist. Zudem weist das Formwerkzeug eine Injektionseinrichtung zum Injizieren einer Harzmasse in die Kavität auf. Weiterhin umfasst das Formwerkzeug in bekannter Art und Weise einen die Kavität umlaufend umfassenden, ein Dichtungsmaterial aufweisender Dichtungsbereich zum Abdichten der beiden Formteile gegenüber der Umgebung sowie ein erstes Heizelement zum lokalen Erwärmen des das Dichtungsmaterial aufweisenden Dichtungsbereichs.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass als Dichtungsmaterial die zu injizierende Harzmasse verwendet wird. Hierfür ist das erste Heizelement derart ausgebildet ist, dass auf eine Temperatur aufheizbar ist, bei der die im Dichtungsbereich befindliche Harzmasse schneller aushärtet als die in der Kavität befindliche Harzmasse.
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Nach der Erfindung wird somit die Reaktionszeit, bei der die Harzmasse vom flüssigen in den festen Zustand übergeht, ausgenutzt. Diese Zeit liegt, je nach System, bei 30 Sekunden bis zu 3 Stunden. Durch eine Erhöhung der Temperatur um 10°C wird diese Zeit jedoch halbiert. Durch eine entsprechende hohe Aufheizung des Heizelements ist es daher folglich möglich, die Reaktionszeit der Harzmasse so weit zu erhöhen, dass diese ”quasi schlagartig” erstarrt.
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Da nunmehr das Heizelement derart ausgebildet, dass es innerhalb kurzer Zeit auf eine Temperatur aufheizbar ist, bei der die Harzmasse vom flüssigen Zustand in den festen Zustand übergeht, z. B. eine Temperatur bei der die Harzmasse mit einer Reaktionszeit ≤ 2 Sekunden aushärtet, ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass die im Dichtungsbereich befindliche Harzmasse ”schlagartig” aushärtet und damit auch als Dichtmaterial fungiert. Dies hat den Vorteil, dass hohe Standzeiten gewährleistet sind, da die aus dem Stand Technik bekannten, verschleißanfälligen Dichtungen aus Kautschuk oder Silikon nicht mehr erforderlich sind. Da – wie bereits ausgeführt – durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Formwerkzeugs, nunmehr die zu injizierende Harzmasse auch als Dichtmaterial fungiert, ist die nach der Lehre der
EP 2 441 556 A2 erforderlichen Zuführung einer polymeren Dichtmasse nicht mehr notwendig, sodass geringere Betriebskosten gewährleistet sind. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Formwerkzeug einen im Vergleich zur
EP 2 441 556 A2 einfacheren Aufbau auf, da das erfindungsgemäße Formwerkzeugs eine zusätzliche Injektionseinrichtung für das Zuführen einer separaten Dichtmasse nicht benötigt.
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Vorzugsweise ist der Dichtungsbereich derart ausgebildet, dass dieser im Vergleich zur Kavität eine verjüngende Ausgestaltung hat. Dies hat den Vorteil, dass nach Injizieren der Harzmasse in die Kavität und Eindringen der Harzmasse in den Dichtungsbereich, aufgrund der verjüngenden Ausgestaltung die Fließgeschwindigkeit der Harzmasse im Dichtungsbereich reduziert ist.
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Damit das Heizelement nicht dauerhaft das Formwerkzeug heizt, ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung im Dichtungsbereich ein Harzsensor angeordnet. Durch den Harzsensor ist nun vorteilhafter Weise ermöglicht, dass die Aufheizung des Heizelements erst dann erfolgt, wenn im Dichtungsbereich Harzmasse registriert wurde und nach einer definierten Heizzeit, z. B. 10 Sekunden, das Heizelement wieder abgeschaltet wird. Somit werden Energie- und damit Betriebskosten gesenkt, da die Aufheizung des Heizelements bedarfsgereicht erfolgt.
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Vorzugsweise ist im Dichtungsbereich beabstandet zum ersten Heizelement ein zweites Heizelement angeordnet. Da nunmehr zwei Heizelemente nebeneinander angeordnet sind, ist eine redundante Dichtung des Formwerkzeugs sichergestellt.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das bzw. sind die Heizelemente in Form von Heizdrähten ausgebildet. Die Verwendung von Heizdrähten als Heizelement hat den Vorteil, dass diese bauraumsparend und ohne großen konstruktiven Aufwand in das Formwerkzeug integrierbar sind.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 6 gelöst.
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Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
- • Einlegen eines Faserhalbzeugs in die Kavität des Formwerkzeugs;
- • Schließen des Formwerkzeugs;
- • Injizieren der Harzmasse in die Kavität des Formwerkzeugs;
- • Abdichten des Formwerkzeugs mittels Aufheizen des/der Heizelements(e) im Dichtungsbereich durch Aushärtung der im Dichtungsbereich befindlichen Harzmasse;
- • Verweilen des mit der Harzmasse getränkten Faserhalbzeugs im Formwerkzeug bei definierten Druck- und/oder Temperaturbedingen;
- • Entnahme des faserverstärkten Bauteils aus dem Formwerkzeug.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass als Dichtungsmaterial die zu injizierende Harzmasse verwendet wird. D. h. eine zusätzliche u. U. aufwändige Prozesssteuerung zum Einspritzen einer Dichtmasse ist nicht erforderlich.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Aufheizen des/der Heizelements(e) erst dann erfolgt, nachdem durch den Harzsensor Harzmasse im Dichtungsbereich detektiert wurde und/oder dass das/die Heizelement(e) nach einer voreinstellbaren Zeit wieder abgeschaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass unnötige Heizzeit vermieden wird, d. h. dass Energie eingespart wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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In der Zeichnung bedeutet:
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1 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnetes Formwerkzeug zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen.
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Das Formwerkzeug 10 umfasst ein erstes Formteil 12 sowie ein zweites Formteil 14. Die beiden Formteile sind gegeneinander zu öffnen und zu schließen und bilden – wie in 1 gezeigt – im geschlossenen Zustand eine Kavität 16. Zudem weist das Formwerkzeug 10 eine Injektionseinrichtung 18 zum Injizieren einer Harzmasse in die Kavität 16 auf.
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Weiterhin weist – wie 1 weiter zu entnehmen ist, das Formwerkzeug 10 einen die Kavität 16 umlaufend umfassenden Dichtungsbereich 20 auf. Der Dichtungsbereich 20 ist dabei spaltförmig, im Vergleich zur Kavität 16 verjüngt, ausgebildet.
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Im Dichtungsbereich 20 sind vorliegend zwei Heizelemente angeordnet, nämlich ein erstes Heizelement 22 und ein in Bezug zum ersten Heizelement 22 weiter von der Kavität 16 beabstandetes zweites Heizelement 24. Die beiden Heizelemente 22, 24 sind vorliegend in Form zweier parallel zueinander angeordneter Heizdrähte ausgebildet.
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Zudem ist im Dichtungsbereich 20 ein Harzsensor 26 vorgesehen. Ausgehend von der Kavität 16 in Richtung nach außen betrachtet, ist der Harzsensor 26 im Dichtungsbereich 20 zwischen Kavität 16 und ersten Heizelement 22 angeordnet.
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Über eine – hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten – Regel-/Steuereinheit stehen der Harzsensor 26 und die Heizelemente 22, 26 miteinander in Wirkverbindung.
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Vorliegend wird eine Harzmasse verwendet, die bei einer Temperatur von 110°C eine Reaktionszeit von 5 min = 300 Sek. aufweist, d. h. die in die Kavität eingespritzte Harzmasse benötigt bei einer Temperatur von 110°C eine Zeit von 300 Sekunden um vom flüssigen Zustand in den festen Zustand überzugehen.
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Da sich die Reaktionszeit bekanntlich bei einer Temperaturerhöhung um 10°C ca. halbiert, ergibt sich für die vorliegend verwendete Harzmasse der nachfolgende Zusammenhang zwischen Reaktionszeit und Temperatur:
| Reaktionszeit in Sekunden | Temperatur in °C |
| 300 | 110 |
| 150 | 120 |
| 75 | 130 |
| 38 | 140 |
| 19 | 150 |
| 10 | 160 |
| 5 | 170 |
| 3 | 180 |
| 1,5 | 190 |
| 0,8 | 200 |
| 0,4 | 210 |
| 0,2 | 220 |
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Die beiden Heizdrähte 22, 24 sind vorliegend so ausgebildet, dass diese innerhalb kürzestes Zeit auf eine Temperatur von 220°C aufheizbar sind.
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Nachfolgend die Funktionsweise des Formwerkzeugs 10:
Nach Einlegen eines Faserhalbzeugs in die Kavität 16 und Schließen des Formwerkzeugs 10 wird über die Injektionseinrichtung 18 die Harzmasse unter hohem Druck in das Formwerkzeug 10 eingebracht.
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Nach Eindringen der Harzmasse in den Dichtungsbereich 20 wird diese durch die verjüngende Ausgestaltung des Dichtungsbereiches verlangsamt.
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Nachdem der Harzsensor 26 die Harzmasse im Dichtungsbereich 20 detektiert hat, erfolgt das Aufheizen der Heizelemente 22, 24 auf eine Temperatur von 220°C.
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Trifft nun die Harzmasse auf das erste Heizelement 22 erstarrt die Harzmasse innerhalb von 0,2 Sekunden, d. h. quasi schlagartig und bildet damit eine die Kavität 16 umlaufend umschließende Dichtlinie.
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Das zweite Heizelement 24 dient lediglich der Ausfallsicherheit, um z. B. bei Ausfall des ersten Heizelements 22 eine zweite umlaufende Dichtlinie gewährleisten.
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Nach einer vorher definierten Zeit, z. B. 10 Sekunden, werden die Heizelement 22, 24 wieder abgeschaltet.
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In der Kavität 16 herrscht eine Temperatur von ca. 110°C, sodass das das herzustellende faserverstärkte Bauteil nach einer Verweildauer von ca. 300 Sekunden ausgehärtet ist und aus dem Formwerkzeug 10 entnommen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Formwerkzeug
- 12
- erstes Formteil
- 14
- zweites Formteil
- 16
- Kavität
- 18
- Injektionseinrichtung
- 20
- Dichtungsbereich
- 22
- Heizelement
- 24
- Heizelement
- 26
- Harzsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2441556 A2 [0005, 0005, 0012, 0012]
