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Die Erfindung betrifft ein Presswerkzeug zum Herstellen eines Faserverbundbauteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen im sogenannten „Resin-Transfer-Moulding” Prozess (kurz: RTM-Prozess) werden in einem ersten Teilprozess – stark vereinfacht dargestellt – trockene, also matrixfreie Faserhalbzeuge zu einem Stack gestapelt und dieser unter Hitzeeinwirkung zu einem Preform gepresst. Hierzu wird der Stack üblicherweise mit Hilfe spezieller Niederhalter vorgespannt und anschließend über eine Formhälfte eines separaten Preform-Werkzeugs gezogen, bevor dieses zum Verpressen des Preforms geschlossen wird. Insbesondere im Falle konvexer Konturen des Werkzeuges kann es vorkommen, dass Fasern aufgrund der an diesen Stellen auftretenden, großen Umformungsgrade aus ihrer vorgesehenen Position heraus verrutschen. Infolgedessen treten zumindest an diesen Stellen unerwünschte und unkontrollierbare Abweichungen in der Faserverteilung und Ausrichtung der einzelnen Fasern auf. Diese übertragen sich unmittelbar auf das anschließend aus dem Preform erzeugte Faserverbundbauteil, welches entsprechend Stellen mit unterschiedlichem Faservolumengehalt aufweist. Ebenso kann es zu Faltenbildung in einzelnen Lagen oder dem ganzen Stack kommen. Infolgedessen variieren die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils lokal, so dass eine Bauteilschwächung zumindest an diesen Stellen auftreten kann.
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Des Weiteren werden bei diesem Teilprozess die Niederhalter, die beispielsweise aus Stahlblech bestehen, durch Zugkräfte stark belastet, welche beim Schließen des Presswerkzeugs durch ein Nachziehen von Fasermaterial aufgrund der Umformung des Stacks an die formgebende Werkzeugkontur entstehen. Zusätzlich sind die Niederhalter einem starken Verschleiß in Folge abrasiver Eigenschaften der Kohlenstofffasern unterworfen. Beide Effekte bewirken, dass die Niederhalter üblicherweise in sehr kurzen Abständen ausgetauscht werden müssen.
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Auch die anschließende Verarbeitung des Preforms in dem separaten RTM-Werkzeug im Rahmen des RTM-Prozesses kann eine unerwünschte (zusätzliche) Verschiebung der Fasern bewirken. Ursache hierfür ist die in das RTM-Werkzeug injizierte Matrix, die ein „Fiberwashing” der Fasern aus ihrer Position verursachen kann. Dementsprechend tritt dieser Effekt während der Injektionsphase durch hohe Injektionsgeschwindigkeiten oder hohe Injektionsdrücke auf.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, die genannten Nachteile bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Pressvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Demnach wird ein Presswerkzeug zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitgestellt, wobei das Presswerkzeug ein erstes Werkzeugteil und ein zweites Werkzeugteil umfasst, die in einem geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs eine Kavität zur formgebenden Aufnahme des herzustellenden Faserverbundbauteils bilden. Die Kavität wird durch eine formgebende erste Formfläche des ersten Werkzeugteils und eine formgebende zweite Formfläche des zweiten Werkzeugteils begrenzt. Außerdem ist innerhalb der Kavität in mindestens einem ersten Teilabschnitt der ersten Formfläche und/oder in mindestens einem zweiten Teilabschnitt der zweiten Formfläche jeweils ein Elastomer-Element angeordnet.
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Dies bedeutet, dass als Formfläche jeweils diejenige Oberfläche des zugehörigen Werkzeugteils zu verstehen ist, welche die Kavität definiert und aufgrund ihrer dreidimensionalen Form zur Formgebung für das Faserverbundbauteil bestimmt ist. Als erstes und zweites Werkzeugteil können zum Beispiel eine obere Werkzeughälfte und eine untere Werkzeughälfte eines zweiteiligen Presswerkzeugs eingesetzt werden.
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Auf der ersten Formfläche kann in dem ersten Teilabschnitt ein Elastomer-Element vorgesehen sein. Ebenso können aber auch mehrere erste Teilabschnitte auf der ersten Formfläche vorgesehen sein, in denen jeweils ein Elastomer-Element angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu können auf der zweiten Formfläche in dem zweiten Teilabschnitt in analoger Art und Weise ein Elastomer-Element oder in mehreren zweiten Teilabschnitten jeweils ein Elastomer-Element angeordnet sein.
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Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird im Folgenden, sofern nicht anders dargestellt, lediglich der Fall eines Elastomer-Elements in einem der Teilabschnitte auf einer der beiden Formflächen beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erläuterungen und Ausführungsformen auch für Anordnungen von mehreren Elastomer-Elementen gültig sind, die entweder gemeinsam auf einer der beiden Formflächen angeordnet oder unterschiedlichen Formflächen zugeordnet sind.
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Üblicherweise bestehen die Werkzeugteile aus metallischem Werkstoff, so dass die Formflächen eine vergleichsweise geringe Oberflächenrauigkeit aufweisen. Dies erleichtert in der Regel eine Entnahme der Bauteile aus dem Werkzeug und verhindert Rückstände der Matrix. Mit Hilfe der Anordnung des Elastomer-Elements wird dagegen zumindest lokal eine Rauigkeit in dem entsprechenden Teilabschnitt gegenüber anderen benachbarten Abschnitten der Formflächen gezielt erhöht.
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Dies bietet den Effekt, dass ein zwischen die Formflächen eingelegtes Faserhalbzeug beim Schließen des Presswerkzeugs in Kontakt mit dem Elastomer-Element gelangt. Aufgrund der lokal gegenüber der restlichen Formfläche erhöhten Rauigkeit ist eine Reibung zwischen den Fasern des Faserhalbzeugs und dem Elastomer-Element deutlich erhöht, so dass ein unbeabsichtigtes Wegrutschen des Faserhalbzeugs oder einzelner Fasern beim Schließen des Presswerkzeugs an dieser Stelle reduziert oder sogar verhindert wird.
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Mit Hilfe des Elastomer-Elements wird also lokal eine Reibung der Formfläche gezielt erhöht. Dieser Effekt wird zusätzlich durch einen mit zunehmendem Schließungsgrad des Werkzeugs zunehmenden Anpressdruck des Faserhalbzeugs gegen das Elastomer-Element verstärkt, so dass auf diese Weise eine lokale Fixierung des Halbzeugs innerhalb der Kavität aufgrund des dort angeordneten Elastomer-Elements nochmals erhöht wird.
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In jedem Fall tritt dieser Fixierungseffekt insbesondere bei trockenen, also matrixfreien Fasern auf, so dass ein derartiges Presswerkzeug für Preforming-Werkzeuge und RTM-Presswerkzeuge besonders geeignet ist. Dennoch ist die Funktionsweise auch für das Nasspressen anwendbar, möglicherweise jedoch mit reduzierter Wirksamkeit aufgrund der zur Imprägnierung der Fasern eingesetzten Matrix.
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Ist das mindestens eine Elastomer-Element lediglich lokal vorgesehen, so bietet dies zudem den Effekt, dass ein Matrixfluss im Presswerkzeug je nach Ausgestaltung nicht oder lediglich geringfügig beeinflusst wird. Entsprechend kann hohen Gradienten in der Fließgeschwindigkeit der Matrix durch die lokale Klemmung entgegengewirkt werden, wodurch das sogenannte „fiber washing” während der Matrix-Injektion reduziert und somit möglichst einheitliche mechanische Eigenschaften gewährleistet werden können.
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Mit Hilfe der durch die Elastomer-Elemente erzeugten lokalen Fixierung wird zudem die von einem Niederhalter aufzubringende Niederhaltekraft und Klemmkraft reduziert. Entsprechend ist dieser einem geringeren Verschleiß unterworfen.
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Als Elastomer-Element ist insbesondere ein kompressibler, elastisch verformbarer Elastomer-Körper einsetzbar, der vorzugsweise hitzefest für die im Presswerkzeug auftretenden Temperaturen von bis zu 200°C ist. Zusätzlich ist eine ausreichende Festigkeit gegen die stark abrasive Wirkung der Kohlenstofffasern vorteilhaft, so dass das Elastomer-Element mehrfach wiederverwendbar ist. Alternativ ist aber auch eine einmalige Verwendung mit anschließendem Austausch möglich und aufgrund des eingesetzten Materials kostengünstig durchführbar. In jedem Fall ist das Elastomer-Element vorzugsweise leicht austauschbar ausgestaltet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bildet das jeweilige Elastomer-Element einen gegenüber der jeweils zugehörigen Formfläche erhöhten Überstand. Dies bedeutet, dass das Elastomer-Element in einem nicht-komprimierten Zustand über die zugehörige Formfläche hervorsteht, auf der das Elastomer-Element angeordnet ist. Das Elastomer-Element bildet mit dem Überstand also einen Vorsprung gegenüber der sonstigen Formfläche und sorgt somit lokal für einen elastischen „Puffer” zwischen dem Faserhalbzeug und der Formfläche.
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Der Überstand bietet den Effekt, dass das in das Presswerkzeug eingelegte Faserhalbzeug beim Schließvorgang des Presswerkzeug zunächst einerseits von dem Elastomer-Element beaufschlagt wird und auf einer gegenüberliegenden Seite von der gegenüberliegenden Formfläche oder einem dort angeordneten weiteren Elastomer-Element. Es entsteht auf diese Weise bereits vor dem vollständigen Schließen des Presswerkzeugs eine lokale Klemmung, die ein Verschieben des Faserhalbzeugs und der darin enthaltenen Fasern an dieser lokalen Stelle verhindert. In anderen Teilabschnitten, in denen kein Elastomer-Element angeordnet ist, erfolgt dagegen in diesem noch nicht vollständig geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs noch keine Klemmung, so dass Verschiebungen der Fasern dort noch möglich sind und zum Positions- und Längenausgleich erwünscht sein können.
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Mit zunehmender Schließbewegung des Presswerkzeugs wird das Elastomer-Element komprimiert, bis der Überstand im geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs teilweise oder vollständig eliminiert ist und das Elastomer-Element in seinem komprimierten Zustand beispielsweise flächenbündig mit der zugehörigen Formfläche abschließt.
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Beispielsweise kann der Überstand U mindestens 0,3 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, betragen. Diese Werte verstehen sich in dem nicht-komprimierten Zustand des Elastomer-Elementes.
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Des Weiteren kann in dem mindestens einen ersten und/oder zweiten Teilabschnitt jeweils eine Ausnehmung vorgesehen sein, in der das jeweilige Elastomer-Element derart eingesetzt ist, dass das Elastomer-Element mit einem aus der Ausnehmung herausragenden Abschnitt den Überstand definiert. Dies bedeutet, dass das Elastomer-Element in die Ausnehmung, beispielsweise eine Nut, eingelassen und in dieser verankert ist und lediglich mit dem herausragenden Abschnitt über die sonstige Formfläche zumindest im nicht-komprimierten Zustand hervorsteht, um den Überstand zu bilden. Zum Beispiel ist das Elastomer-Element leicht austauschbar in der Ausnehmung eingesteckt oder eingeklemmt.
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Grundsätzlich kann das Elastomer-Element also an all denjenigen Stellen im Presswerkzeug vorgesehen werden, an welchen ein unbeabsichtigtes Verrutschen des Faserhalbzeugs beziehungsweise der Fasern zu befürchten ist. Dies ist beispielsweise im Bereich von konvexen oder konkaven Konturen der Fall.
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Demensprechend kann die erste Formfläche zumindest in dem mindestens einen ersten Teilabschnitt eine hervorstehende oder zurückgesetzte Form, insbesondere eine konvexe oder konkave Form, aufweisen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Formfläche zumindest in dem mindestens einen zweiten Teilabschnitt eine hervorstehende oder zurückgesetzte Form, insbesondere eine konvexe oder konkave Form, aufweisen.
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Beispielsweise kann ein erster Flächenanteil des mindestens einen ersten Teilabschnittes an der ersten Formfläche und/oder ein zweiter Flächenanteil des mindestens einen zweiten Teilabschnittes an der zweiten Formfläche jeweils maximal 70%, vorzugsweise maximal 40%, besonders bevorzugt maximal 10%, betragen. Dies bedeutet, dass die Summe aller Teilabschnitte mit jeweils einem Elastomer-Element derselben Formfläche diese Werte nicht übersteigt. Das Elastomer-Element kann also lediglich punktuell, aber auch großflächig ausgebildet sein, wobei jedoch nicht die vollständige Formfläche bedeckt ist. Entsprechend weist die jeweilige Formfläche weitere Teilabschnitte auf, in denen kein Elastomer-Element angeordnet ist.
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Des Weiteren kann das Elastomer-Element bandförmig ausgestaltet sein. Entsprechend kann sich das Elastomer-Element-Band entlang der zugeordneten Formfläche erstrecken.
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Ferner kann das Elastomer-Element umlaufend entlang eines Randbereichs der ersten und/oder der zweiten Formfläche angeordnet sein. Dies bietet die Möglichkeit, dass das zu pressende Faserhalbzeug durch das umlaufende Elastomer-Element umlaufend fixiert wird und ein Nachziehen des Faserhalbzeugs beim Schließen des Presswerkzeugs aus Bereichen außerhalb der Kavität, beziehungsweise außerhalb der umlaufenden Fixierung verhindert oder zumindest reduziert wird. Entsprechend wird ein eventuell vorgesehener Niederhalter entlastet oder kann sogar vollständig ersetzt werden.
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Beispielsweise kann das Elastomer-Element innerhalb einer die Kavität umschließenden Dichtung angeordnet sein.
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Wie bereits beschrieben, kann das Presswerkzeug ein Preforming-Werkzeug, ein Resin-Transfer-Moulding-(RTM-)Werkzeug oder ein Nasspresswerkzeug sein.
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Die beschriebenen Ausführungsformen eignen sich dazu, auf ein Preforming-Werkzeug zu verzichten und stattdessen den noch ungeformten Stack in dem RTM-Werkzeug zu verarbeiten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Presswerkzeug gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine erste Ausführungsform eines Presswerkzeugs gemäß der Beschreibung,
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3 eine zweite Ausführungsform eines Presswerkzeugs gemäß der Beschreibung, und
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4 eine dritte Ausführungsform eines Presswerkzeugs gemäß der Beschreibung.
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In 1 ist ein Presswerkzeug 10 zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (nicht dargestellt) gemäß dem Stand der Technik abgebildet. Das Presswerkzeug 10 umfasst ein erstes Werkzeugteil 11 und ein zweites Werkzeugteil 12 und ist in einem geöffneten Zustand dargestellt. In einem geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs 10 stehen die beiden Werkzeugteile 11, 12 miteinander in Kontakt und bilden gemeinsam eine Kavität 13 zur formgebenden Aufnahme des herzustellenden Faserverbundbauteils, wobei die Kavität 13 durch eine formgebende erste Formfläche 14 des ersten Werkzeugteils 11 und eine formgebende zweite Formfläche 15 des zweiten Werkzeugteils 12 begrenzt wird.
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In 2 ist eine erste Ausführungsform eines Presswerkzeugs 20 zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (nicht dargestellt) gemäß der Beschreibung abgebildet. Das Presswerkzeug 20 umfasst ebenfalls ein erstes Werkzeugteil 21 und ein zweites Werkzeugteil 22, die in einem geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs eine Kavität 23 zur formgebenden Aufnahme des herzustellenden Faserverbundbauteils bilden, wobei die Kavität 23 durch eine formgebende erste Formfläche 24 des ersten Werkzeugteils 21 und eine formgebende zweite Formfläche 25 des zweiten Werkzeugteils 22 begrenzt wird. Innerhalb der Kavität 23 ist in mindestens einem ersten Teilabschnitt 26a der ersten Formfläche 24 ein Elastomer-Element 27 angeordnet. Selbstverständlich kann das Elastomer-Element 27 aber auch in mindestens einem zweiten Teilabschnitt (analog zu 3) der zweiten Formfläche 25 angeordnet sein.
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Das Elastomer-Element 27 ist derart ausgestaltet, dass es einen gegenüber der zugehörigen (ersten) Formfläche 24 erhöhten Überstand U bildet. Der Überstand U beträgt mindestens 0,3 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm.
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Des Weiteren ist in dem ersten Teilabschnitt 26a eine Ausnehmung 28 vorgesehen, in der das jeweilige Elastomer-Element 27 derart eingesetzt ist, dass das Elastomer-Element 27 mit einem aus der Ausnehmung 28 herausragenden Abschnitt den Überstand U definiert.
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Außerdem weist die erste Formfläche 24 zumindest in dem ersten Teilabschnitt 26a eine hervorstehende beziehungsweise konvexe Form auf.
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In der dargestellten Ausführungsform sind das Elastomer-Element 27 und der erste Teilabschnitt 26a flächig ausgebildet. Ein erster Flächenanteil des ersten Teilabschnittes 26a an der ersten Formfläche beträgt maximal 70%, vorzugsweise maximal 40%, besonders bevorzugt maximal 10%.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Presswerkzeugs 30 gemäß der Beschreibung. Diese stimmt für das erste Werkzeugteil 31 und dessen Komponenten vollständig mit der zu 2 beschriebenen Ausführungsform überein, so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Es werden demzufolge lediglich die zusätzlich vorgesehenen Komponenten dargestellt.
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Demnach ist in einem zweiten Teilabschnitt 36b der zweiten Formfläche 35 ebenfalls ein (zweites) Elastomer-Element 39 angeordnet. Auch dieses Elastomer-Element 39 bildet einen gegenüber der jeweils zugehörigen zweiten Formfläche 35 erhöhten Überstand U. Dieser kann ebenfalls mindestens 0,3 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, betragen.
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Auch das zweite Elastomer-Element 39 ist auf gleiche Art und Weise in der zugehörigen zweiten Formfläche 35 befestigt. Hierzu ist in dem zweiten Teilabschnitt 36b eine Ausnehmung 38 vorgesehen, in der das (zweite) Elastomer-Element 39 derart eingesetzt ist, dass das (zweite) Elastomer-Element 39 mit einem aus der Ausnehmung 38 herausragenden Abschnitt den Überstand U definiert.
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Die zweite Formfläche 35 weist zumindest in dem zweiten Teilabschnitt 36b eine zurückgesetzte beziehungsweise konkave Form auf. Analog beträgt auch ein zweiter Flächenanteil des mindestens einen zweiten Teilabschnittes 36b an der zweiten Formfläche jeweils maximal 70%, vorzugsweise maximal 40%, besonders bevorzugt maximal 10%.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Presswerkzeugs 40 gemäß der Beschreibung. Das Presswerkzeug 40 umfasst ebenfalls ein erstes Werkzeugteil 41 und ein zweites Werkzeugteil (nicht dargestellt), die in einem geschlossenen Zustand des Presswerkzeugs eine Kavität 43 zur formgebenden Aufnahme des herzustellenden Faserverbundbauteils bilden. Der Übersichtlichkeit halber ist lediglich das erste Werkzeugteil 41 dargestellt, wobei das zweite Werkzeugteil komplementär hierzu ausgestaltet ist.
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Die Kavität 43 wird durch eine formgebende erste Formfläche 44 des ersten Werkzeugteils 41 und eine formgebende zweite Formfläche des zweiten Werkzeugteils begrenzt. Innerhalb der Kavität 43 ist in einem ersten Teilabschnitt 46a der ersten Formfläche 44 ein Elastomer-Element 47 angeordnet. Dieses bildet einen gegenüber der zugehörigen ersten Formfläche 44 erhöhten Überstand U.
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Zusätzlich ist in dem ersten Teilabschnitt 46a eine Ausnehmung 48 vorgesehen, in der das Elastomer-Element 47 derart eingesetzt ist, dass das Elastomer-Element 47 mit einem aus der Ausnehmung 48 herausragenden Abschnitt den Überstand U definiert. Die erste Formfläche 44 weist eine vollständig, und damit auch in dem ersten Teilabschnitt 46a zurückgesetzte beziehungsweise konkave Form auf.
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In der dargestellten Ausführungsform ist das Elastomer-Element 47 bandförmig ausgestaltet und umlaufend entlang eines Randbereichs R der ersten Formfläche 44 angeordnet. Entsprechend ist auch die Ausnehmung 48 umlaufend ausgeführt. Aufgrund dieser Anordnung ist das Elastomer-Element 47 innerhalb einer die Kavität 43 umschließenden Dichtung 49 angeordnet.
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In allen Ausführungsformen der 2 bis 4 kann das Presswerkzeug 20, 30, 40 ein Preform-Werkzeug, ein Resin-Transfer-Moulding-(RTM-)Werkzeug oder ein Nasspresswerkzeug sein.
