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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Produkte aus Faserverbundwerkstoff herzustellen. Hierzu wird ein Faserwerkstoff mit einer Matrix aus Harz versetzt, sodass das Bauteil nach Aushärtung der Matrix erstarrt. Das Bauteil erhält seine eigentliche Festigkeit durch die Ausrichtung der Fasern innerhalb des Faserverbundwerkstoffes. Hierzu sind verschiedene Herstellungsverfahren bekannt, beispielsweise Laminieren, bei dem jeweils eine Faserwerkstofflage in Form einer Matte, eines Gewebes oder aber auch Vlieses aufgelegt wird, auf das dann wiederum ein Harz aufgetragen wird und eine nächste Faserwerkstofflage aufgebracht wird.
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Aus dem Stand der Technik sind jedoch auch Harzinjektionsverfahren bekannt (Resin Transfer Moulding). Hierzu wird ein Formwerkzeug, auch als Kavität bezeichnet, mit einem Formhohlraum bereitgestellt. In diesem wird ein Faserwerkstoffrohling eingelegt und dann das Formwerkzeug geschlossen. An dem Formwerkzeug sind Öffnungen vorhanden, durch welche die Matrix injiziert wird. Die injizierte Matrix strömt dann durch den Faserwerkstoff. Nach Abschluss des Injektionsvorganges wird das so hergestellte Faserverbundwerkstoffbauteil teilausgehärtet und aus dem Formwerkzeug entnommen.
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Hierbei entstehen folgende zwei Problematiken. Die Matrix wird dabei lokal an einer oder verschiedenen Stellen injiziert und breitet sich durch ein Strömen bzw. Fließen von dieser Stelle in Richtung des Formhohlraumes aus. Zwischen der Innenmantelfläche des geschlossenen Formwerkzeuges und dem Faserwerkstoffrohling verbleiben Freiräume bzw. Hohlräume, in denen kein Faserwerkstoff vorhanden ist, sondern nur die beim Einlegen des Faserwerkstoffrohlings vorhandene Umgebungsluft und somit der in dieser vorherrschende Druck. Wird das RTM-Werkzeug mit einem Vakuum versehen, entsteht ein Unterdruck. Wird nunmehr das Harz injiziert, strömt dieses Harz durch die Hohlräume deutlich schneller als durch die Zwischenräume im Faserwerkstoffrohling, mithin den Raum zwischen den einzelnen Fasersträngen des Faserwerkstoffrohlings. Es kommt somit zu einer Ungleichverteilung der Matrix in dem hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteil, so dass die Produktionsgenauigkeit des hergestellten Bauteils schwankt.
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Ein zweiter sich ergebender Nachteil ist darin zu sehen, dass Werkzeugentlüftungsöffnungen vorhanden sind, durch welche ein aufgrund der Harzinjektion entstehender Überdruck entweichen kann. Das gegebenenfalls schneller fließende Harz gelangt somit zu der Entlüftungsöffnung und verdeckt bzw. verschließt diese, so dass die Bereiche, welche noch nicht mit Harz befüllt waren, Lufteinschlüsse aufweisen können. Auch hierdurch sinkt die Produktionsgenauigkeit.
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Bei dem Harzfluss entsteht jeweils im vorderen Bereich eine fließende Harzfront. Das Fließen der Harzfront kann beispielsweise durch eine lokal veränderliche Temperatur des Formwerkzeuges gesteuert werden, was beispielsweise aus der
DE 10 2011 112 141 A1 bekannt ist. Nachteilig hierbei sind zum einen die hohen Werkzeug- und Produktionskosten, zum anderen die Tatsache, dass durch die Temperatureinwirkung das Harz bereits beginnt auszuhärten, so dass unter Umständen mehrere Harzinjektionsstellen vorgesehen werden müssen.
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Aus der
DE 1 504 759 A ist ein Herstellungsverfahren für faserverstärkte Harzformlinge bekannt, wobei ein synthetisches Harz in flüssigem Zustand in eine Form zum Imprägnieren eingegeben wird. Zwischen verstärkendem Fasermaterial und Innenmantelfläche der Form ist ein Abstandsmaterial angeordnet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, bei einem Harzinjektionsverfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils die sich ergebenden Nachteile bzgl. Freiräumen und Lufteinschlüssen auszugleichen, wobei das Verfahren jedoch kostengünstig und einfach durchführbar sein soll.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Harzinjektion gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils sieht vor, einen Faserwerkstoffrohling, auch als Preform bezeichnet, in ein Formwerkzeug einzulegen und das Formwerkzeug zu schließen. Im Anschluss daran wird Harz in das geschlossene Formwerkzeug injiziert, sodass das RTM-Verfahren durchgeführt wird. Damit die oben beschriebenen Nachteile überwunden werden, sieht das Verfahren erfindungsgemäß vor, dass zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, zwischen der Außenmantelfläche des Faserwerkstoffrohlings und der Innenmantelfläche des Formwerkzeuges bzw. der Innenmantelfläche des Formhohlraumes eine zusätzliche Lage bzw. Schicht aus Fasern, welche nachfolgend als Zwischenfaserschicht oder als Wirrfasern bzw. Wirrfaserschicht bezeichnet werden, ortsfest lagefixiert anzuordnen sind, so dass dadurch die Fließgeschwindigkeit des Harzes aufgrund der Zwischenfaserschicht verlangsamt wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es gerade durch Auswahl von Dichte und/oder Größe und gezieltem bereichsweisen Einsatz der Fasern in der Zwischenfaserschicht möglich, die Fließgeschwindigkeit des Harzes zu steuern. Aufgrund der Anordnung der Zwischenfaserschicht bzw. der Wirrfasern zwischen Faserwerkstoffrohling und Innenmantelfläche des Formwerkzeuges wird insbesondere die Fließgeschwindigkeit des Harzes verlangsamt, so dass sich eine gleichmäßig fließende Harzfront sowohl durch den Faserwerkstoffrohling selbst als auch in dem Zwischenraum ergibt. Weiterhin erhöht sich der Druck in der Matrix selber, sodass das Matrixmaterial weiterhin geneigt ist quer zur Fließrichtung, seitlich in den Faserwerkstoffrohling einzudringen.
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Im Rahmen der Erfindung ist unter Harz ein Matrixharz bzw. ein Harzsystem zu verstehen. Dabei kann es ein einkomponentiges aber auch mehrkomponentiges Harz sein, wobei das Harz dann beispielsweise durch thermische Aktivierung und/oder Zugabe eines Härters beginnt auszuhärten. Nachfolgend sind die Begriffe Harz und Harzsystem gleichbedeutend verwendet.
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Insbesondere müssen die Wirrfasern ortsfest lagefixiert sein, damit diese nicht durch den beim Injizieren aufgebrachten Druck bzw. die fließende Harzfront mitgenommen werden und sich dann an ungewollten Stellen verdichten.
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Erfindungsgemäß wird dies durch nachfolgend einzeln beschriebene Möglichkeiten erreicht. Es ist möglich, Wirrfasern bzw. orientierte Fasern mithilfe eines Beflockungsvorganges aufzubringen oder es ist möglich, Wirrfasern durch Anrauen des Faserwerkstoffrohlings selbst zu erzeugen.
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Grundlegend ist jedoch die Zwischenfaserschicht in den oben beschriebenen oder in einer alternativen Ausgestaltungsvariante in den sich ergebenden Leerräumen zwischen der Außenmantelfläche des Faserwerkstoffrohlings und der Innenmantelfläche des geschlossenen Formwerkzeuges angeordnet. Insbesondere erfolgt die Anordnung in den Bereichen, in denen ein nur geringer Anpressdruck zwischen Außenmantelfläche des Faserwerkstoffrohlings und Formhohlraum entsteht bzw. erwartet wird. Dies ist insbesondere in den Bereichen der Fall, die parallel oder aber in einem spitzen Winkel zur Pressenhubrichtung des Formwerkzeuges orientiert verlaufen. In den Bereichen, die im Wesentlichen quer zu der Pressenhubrichtung angeordnet sind, erfolgt aufgrund des Schließvorganges die Möglichkeit, einen hinreichenden Pressendruck aufzubringen. Bevorzugt wird jedoch um das gesamte Bauteil ummantelnd eine Zwischenfaserschicht bzw. eine Wirrfaserlage angeordnet.
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Es ist jedoch auch möglich, durch gezielte Konzentration der Fasern in der Zwischenfaserschicht wiederum die Permeabilität der Zwischenfaserschicht zu beeinflussen. Dies kann beispielsweise durch eine bereichsweise erhöhte Dichte der Fasern und/oder durch dickere Fasern und/oder durch längere Fasern erreicht werden. Wird somit eine der zuvor genannten drei Möglichkeiten erhöht, ergibt sich eine geringere Permeabilität, mithin eine geringere Durchlässigkeit für das fließende Harz. Somit kann gezielt in den Bereichen lokal die Fließgeschwindigkeit des Harzes eingestellt, insbesondere verlangsamt, werden. Bevorzugt werden Fasern mit einer Länge zwischen 0,1 mm bis 75 mm verwendet.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass in dem Formwerkzeug Harzfließkanäle ausgebildet sind. Eine Ausführung oder Wölbung, die sich von dem Formhohlraum weg gegenüber der Innenmantelfläche des Formhohlraums zeigend erstreckt, so dass hier bewusst Harz zu einem vorbestimmten Ort schneller fließen kann. Hier ist es im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich, dass die Fasern gezielt in dem Harzfließkanal angeordnet werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist es nunmehr möglich, den Faserwerkstoffrohling an seiner Oberfläche anzurauen. Der Faserwerkstoffrohling weist insbesondere verschiedene Lagen Faserwerkstoff auf, die als Gewebefasermatte oder aber auch in einzelnen Fasersträngen mit einer Orientierungsrichtung ausgebildet sind. Nunmehr wird mit beispielsweise einem Schaber oder aber auch einem messerartigen Werkzeug eine Bewegung auf der Oberfläche ansetzend parallel zur Oberfläche durchgeführt, so dass einzelne Filamente und/oder einzelne Faserstränge aus den Faserbündeln der obersten Schicht herausgelöst werden und dann gegenüber der Oberfläche abstehen. Es ergibt sich somit eine Wirrfaserschicht, die gegenüber der Außenmantelfläche des ursprünglichen Faserwerkstoffrohlings überstehend einstückig und werkstoffeinheitlich aus dieser ausgebildet ist. Durch Dauer und/oder Intensität des Anrauprozesses kann die Dichte der entstehenden Wirrfaserschicht beeinflusst werden. Bei Einlegen des Faserwerkstoffrohlings in das Formwerkzeug und Schließen des Formwerkzeuges füllen somit die überstehenden Wirrfasern entstehende Freiräume bzw. Leerräume aus und verhindern ein zu schnelles Fließen des Harzes in diesen Räumen.
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Die abstehenden Wirrfasern werden insbesondere mit einer Länge von 0,1 mm bis 75 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 15 mm, gegenüber der Oberfläche abstehend durch den Anrauvorgang erzeugt. Vorteilig hierbei ist, dass durch Intensität und/oder Druck des Anrauvorganges gezielt lokal voneinander verschiedene Dichten der Wirrfaserschicht einstellbar sind und kein zusätzlicher Werkstoff und/oder Hilfszusatzstoffe verwendet werden müssen, da die erzeugte Wirrfaserschicht einstückig und werkstoffeinheitlich an dem Faserwerkstoffrohling ausgebildet wird.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante werden die Fasern durch einen Beflockungsvorgang aufgebracht. Diese können ohne jegliche Orientierung, mithin als Wirrfasern bzw. Wirrfaserschicht, aufgebracht sein oder aber orientiert, so dass alle Faserstücke im Wesentlichen in eine Hauptrichtung orientiert sind und somit eine gleich orientierte Zwischenfaserschicht ausgebildet ist. Hierzu wird ein Klebstoff auf den Faserwerkstoffrohling und/oder die Innenmantelfläche des Formwerkzeuges, mithin die Innenmantelfläche des Formhohlraumes aufgebracht. Im Anschluss daran werden einzelne Faserstücke auf die mit Klebstoff versehene Fläche aufgebracht. Alternativ können auch bereits die Faserstücke mit Klebstoff versetzt sein und direkt auf die zuvor unbehandelten Oberflächen aufgebracht werden. Der Auftragungsvorgang kann beispielsweise durch einen Luftstrom erfolgen. Alternativ kann das zu beflockende Bauteil durch Faserstücke nach Art einer Berieselung aufgebracht werden. Alternativ ist es vorstellbar, dass Faserstücke in einem Tauchbad sind und das zu beflockende Bauteil in dieses Bad eingelegt wird.
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Im Rahmen der Erfindung werden bevorzugt Faserstücke mit einer Länge von 0,1 mm bis 75 mm, insbesondere 1 mm bis 20 mm, insbesondere 1,5 mm bis 3,0 mm und ganz besonders bevorzugt in einer Länge von 2 mm verwendet. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, die Faserstücke während des Beflockungsvorganges orientiert aufzubringen. Dies erfolgt insbesondere durch Aufbringen mit Hilfe eines elektrostatischen Feldes. Die Faserstücke werden somit bei dem Beflockungsvorgang im Wesentlichen zur Oberfläche abstehend orientiert aufgebracht, ganz besonders bevorzugt orthogonal zur Oberfläche. Dadurch wird der vorteilige Effekt erreicht, dass bei Schließen des Formhohlraumes die von der Oberfläche abstehenden Faserstücke komprimiert werden und somit den entstandenen Leerraum bzw. freien Raum gezielt und produktionssicher ausfüllen. Die Harzfront fließt dann quer zur Orientierung der Wirrfaserstücke.
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Im Rahmen der Erfindung können weiterhin bei dem Beflockungsvorgang durch Maskierungen gezielt Oberflächenbereiche mit erhöhter Dichte beflockt werden. Es können auch Muster, Formen oder Konturen aufgebracht werden. Beispielsweise können entsprechende Schablonen aufgebracht werden, so dass Bereiche ausgespart werden, wohingegen andere Bereiche gezielt partiell beflockt werden. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, auf Bereiche gezielt Klebstoff aufzubringen und anschließend das gesamte Bauteil zu beflocken, wobei nur Faserstücke an den Bereichen mit Klebstoff haften bleiben, andere Bereiche keine Faserstücke aufweisen.
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Die Beflockung weist somit bereichsweise eine erhöhte Dichte und/oder erhöhte Faserlänge und/oder erhöhte Faserdicke gegenüber anderen Bereichen auf, um gezielt die sich ergebende Fließgeschwindigkeit des Harzes zu beeinflussen bzw. einzustellen.
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Weiterhin besonders bevorzugt wird das Formwerkzeug beheizt, insbesondere bereichsweise mit voneinander verschiedenen Temperaturen. Es wird bevorzugt in zeitlichen Abständen bereichsweise geheizt. Somit kann nach Abschluss des Injektionsvorganges gezielt eine Aushärtung des Harzes herbeigeführt werden und/oder zusätzlich die Fließgeschwindigkeit durch die zeitlich thermische Einwirkung gesteuert werden.
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Im Rahmen der Erfindung werden insbesondere Kraftfahrzeugbauteile als Faserverbundwerkstoffbauteile mit dem Verfahren hergestellt. Ganz besonders bevorzugt werden Blattfedern für Kraftfahrzeugachsen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
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Die Preform weist dabei insbesondere Teile aus Faserverbundwerkstoff auf, kann jedoch auch bereichsweise mit Harz oder sonstigen Klebstoffen vernetzt sein. Auch könnten im Rahmen der Erfindung Materialien eingesetzt werden, auf deren Oberfläche dann eine entsprechende Wirrfaserlage aufgebracht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Nachrüstung an bereits bestehenden Produktionsprozessen, da es beispielsweise bei Aufbringung einer Beflockung des Faserwerkstoffrohlings keiner zusätzlichen Hilfswerkzeuge oder sonstiger Verfahrensparameter betreffend des eigentlichen Harzinjektionsvorganges bedarf.
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Insgesamt wird die Prozesssicherheit bei Harzinjektionsverfahren deutlich erhöht und es kann auf aufwändige Prozessschritte, beispielsweise die gezielte Regelung der örtlichen Temperatur zur Steuerung der Harzfließgeschwindigkeit verzichtet werden. Ebenfalls ist keine Veränderung der Druckregelung für den Harzinjektionsvorgang notwendig, um ein gezieltes Fließen der Harzfront zu beeinflussen.
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Weiterhin kann im Rahmen der Erfindung an Flächen, an denen ein Greifer, insbesondere ein Gefriergreifer ansetzt, um das Bauteil aus dem Formwerkzeug zu entnehmen bzw. zunächst in das Formwerkzeug einzusetzen, die Wirrfaserlage ausgespart werden, so dass ebenfalls prozesssicher der Faserwerkstoffrohling und/oder das hergestellte Faserverbundwerkstoffbauteil ergriffen werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 ein Pressenwerkzeug mit eingelegtem Faserwerkstoffrohling ohne Wirrfaserschicht in der Seitenansicht;
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2 das Pressenwerkzeug aus 1 in Draufsicht;
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3 eine Querschnittsansicht gemäß der Schnittlinie III-III in 1;
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4 die Ansicht aus 2 mit erfindungsgemäßer Wirrfaserschicht;
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5 eine Wirrfaserschicht hergestellt durch Aufrauen und
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6 eine Zwischenfaserschicht hergestellt durch Beflockungsvorgang.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt ein schematisches Formwerkzeug 1, aufweisend ein Oberwerkzeug 2 und ein Unterwerkzeug 3, welches geschlossen ist und somit einen Formhohlraum 4 aufweist. In dem Formhohlraum 4 ist eine Innenmantelfläche 5 ausgebildet. Ferner ist in den Formhohlraum 4 ein Faserwerkstoffrohling 6 eingelegt, wobei die Außenmantelfläche 7 des Faserwerkstoffrohlings 6, insbesondere in Bereichen, die im Wesentlichen quer zur Pressenhubrichtung 8 orientiert sind, mit der Innenmantelfläche 5 des Formhohlraums 4 in Anlagenkontakt kommt. Es verbleiben jedoch Leerräume 9, in denen die Außenmantelfläche 7 des Faserwerkstoffrohlings 6 nicht mit der Innenmantelfläche 5 des Formhohlraums 4 zum Anlagenkontakt kommt. In einem mittigen Bereich ist eine Harzinjektionsöffnung in Form eines Bandanguss 10 vorgesehen, so dass hierüber injiziertes Harz den Faserwerkstoffrohling 6 durchfließt. Gut ersichtlich in der Draufsicht gemäß 2 ist, dass nicht nur wie in 1 die Leerräume 9 links- und rechtsseitig verbleiben, sondern umliegend an allen Seiten vorhanden sind. In der Folge ist gerade der Harzstrom 11 durch die Leerräume 9 deutlich schneller voranschreitend als der sich einstellende Harzstrom 11 bzw. Harzfluss durch den Faserwerkstoffrohling 6. Ferner sind Entlüftungsöffnungen 12 vorgesehen an den Enden, welche durch den vorauseilenden Harzstrom 11 durch die Leerräume 9 verschlossen werden, so dass eventuelle Lufteinschlüsse, die sich vor der Harzfront 14 des durch den Faserwerkstoffrohling 6 strömenden Harzes befinden, in dem herzustellenden Faserverbundwerkstoffbauteil eingeschlossen werden.
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Hier setzt das erfindungsgemäße Verfahren, dargestellt in 3, an. Es wird eine Zwischenfaserschicht 15 zwischen Außenmantelfläche 7 des Faserwerkstoffrohlings 6 sowie der Innenmantelfläche 5 des Formhohlraumes angeordnet. Hier dargestellt ist die Zwischenfaserschicht 15 als Wirrfaserschicht. Aufgrund dieser Schicht bzw. Lage aus Wirrfasern in den Leerräumen, welche insbesondere parallel zur Pressenhubrichtung 8 orientiert verlaufen, wird der durch die sonst vorhandenen Leerräume 9 voreilende Harzstrom 11, dargestellt in 2, unterbunden und eine insbesondere gleichmäßige Harzfront 14, dargestellt in 4, erreicht.
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5 zeigt einen Ausschnitt eines Faserwerkstoffrohlings 6, wobei der Faserwerkstoffrohling 6 aus mehreren Lagen 16, hier dargestellt von Faserwerkstoffmatten, ausgebildet ist. Gegenüber der Außenmantelfläche 7 des Faserwerkstoffrohlings 6 steht eine Zwischenfaserschicht 15 mit einzelnen Wirrfasern ab, wobei die Wirrfasern aus Filamenten oder Fasersträngen, insbesondere der die Außenmantelfläche 7 bildenden obersten Lage 17, des Faserwerkstoffrohlings 6 durch Aufrauen, insbesondere in Form von Schaben, ausgebildet werden.
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6 zeigt hierzu wiederum einen Faserwerkstoffrohling 6 bestehend aus mehreren Lagen 16, wobei auf die Außenmantelfläche 7 eine Klebstoffschicht 18 aufgetragen ist und auf die Klebstoffschicht 18 einzelne Faserstücke 19 aufgeflockt sind. Die Faserstücke 19 stehen im Wesentlichen senkrecht zur Außenmantelfläche 7 ab, was beispielsweise durch eine Orientierung mittels elektrostatischen Feldes erzeugbar ist. Weiterhin dargestellt ist, dass die Klebstoffschicht 18 nur bereichsweise aufgebracht ist, so dass die Faserstücke 19 durch den Beflockungsvorgang nur bereichsweise auf der Außenmantelfläche 7 aufgebracht sind. Es ist jedoch auch ein vollständiges Aufbringen auf die gesamte Außenmantelfläche 7 möglich. Auch können die einzelnen Faserstücke 19 wirr durcheinander aufgebracht werden, so dass die Zwischenfaserschicht in Form einer Wirrfaserschicht aufgeflockt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formwerkzeug
- 2
- Oberwerkzeug
- 3
- Unterwerkzeug
- 4
- Formhohlraum
- 5
- Innenmantelfläche zu 4
- 6
- Faserwerkstoffrohling
- 7
- Außenmantelfläche zu 6
- 8
- Pressenhubrichtung
- 9
- Leerraum
- 10
- Bandanguß
- 11
- Harzstrom
- 12
- Entlüftungsöffnung
- 13
- Lufteinschluss
- 14
- Harzfront
- 15
- Zwischenfaserschicht
- 16
- Lage
- 17
- oberste Lage
- 18
- Klebstoffschicht
- 19
- Faserstücke
- 20
- Vliesschicht
