DE102021124064A1

DE102021124064A1 - Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils

Info

Publication number: DE102021124064A1
Application number: DE102021124064.6A
Authority: DE
Inventors: Thiemo Erb; Robert Bjekovic
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils (10) enthaltend recycelte Kohlenstofffasern, mit den folgenden Schritten:- Bereitstellen eines Werkzeugrahmens (20), der durch ein, insbesondere umlaufendes, Rahmenteil (22) und ein Bodenteil (26) einen Aufnahmeraum (24) für ein Werkzeug (30) begrenzt,- Bereitstellen eines durch 3D-Druck hergestellten Werkzeugs (30), wobei das Werkzeug (30) mindestens eine Kavität (32) zur Formgebung des Bauteils (10) aufweist,- Einfügen des Werkzeugs (30) in den Aufnahmeraum (24) des Werkzeugrahmens (20),- Bereitstellen einer fließfähigen Formmasse, bei der es sich um ein Faser-Harz-Gemisch handelt, welches die recycelten Kohlenstofffasern enthält,- Einbringen des Formmasse in die Kavität (32) des Werkzeugs (30) mittels Überdruck,- Aushärten der Formmasse, und- Zerstören des Werkzeugs (30) nach einem Aushärten der Formmasse zum Freilegen des Bauteils (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils.
DE 10 2011 081 374 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus carbonfaserverstärktem Kunststoff, welches bei der Herstellung von Bauteilen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) als Werkzeugform oder Laminierform zum Einsatz kommen kann. Somit können mehrere CFK-Prepregs übereinander laminiert und bei einer definierten Temperatur und einem definierten Druck ausgehärtet und geformt werden. Durch die erforderliche Steifigkeit sind derartige Werkzeugformen vergleichsweise massiv und werden üblicherweise spanend bearbeitet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils anzugeben.
Das Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils enthaltend recycelte Kohlenstofffasern weist die nachfolgend beschriebenen Schritte auf.
Es erfolgt ein Bereitstellen eines Werkzeugrahmens, der durch ein, insbesondere umlaufendes, Rahmenteil (Begrenzung zu den Seiten hin, bspw. umlaufende Seitenwandung) und ein Bodenteil (Begrenzung in Schwerkraftrichtung nach unten) einen Aufnahmeraum für ein Werkzeug begrenzt (Schritt a)).
Zuvor, gleichzeitig oder danach erfolgt ein Bereitstellen eines durch 3D-Druck hergestellten Werkzeugs, wobei das Werkzeug mindestens eine Kavität (Negativform) zur Formgebung des Bauteils aufweist (Schritt b)).
Nach Bereitstellung des Werkzeugs und des Werkzeugrahmens erfolgt ein Einfügen oder Einsetzen des Werkzeugs in den Aufnahmeraum des Werkzeugrahmens (Schritt c)).
Zuvor, gleichzeitig oder nach den Schritten a) bis c) erfolgt ein Bereitstellen einer fließfähigen Gussmasse bzw. Formmasse (Material zur Herstellung des Bauteils), bei der es sich um ein Faser-Harz-Gemisch handelt, welches die recycelten Kohlenstofffasern enthält (Schritt d)).
Hiernach erfolgt ein Einbringen der Formmasse in die Kavität des Werkzeugs bzw. ein Befüllen der Kavität des Werkzeugs mit der (fließfähigen) Formmasse mittels Überdruck (Schritt e)).
Während und/oder nach dem Einbringen der Formmasse erfolgt ein Aushärten der Formmasse (Schritt f)). Mit anderen Worten erkaltet die (fließfähige) Formmasse und härtet zu dem faserverstärkten Bauteil aus.
Nach einem Aushärten der Formmasse erfolgt ein Zerstören des Werkzeugs zum Freilegen des faserverstärkten Bauteils (Schritt g)). Das Bauteil kann somit aus dem Aufnahmeraum und/oder dem Werkzeug entnommen werden. Das Bauteil entspricht in seiner Form (Außenkontur) der vor einem Zerstören des Werkzeugs am oder im Werkzeug ausgebildeten Kavität (Innenkontur).
Durch Einbringen oder Einsetzen des Werkzeugs in den Aufnahmeraum des Werkzeugrahmens kann der Werkzeugrahmen das Werkzeug abstützen bzw. stabilisieren, so dass durch die Kombination aus Werkzeug und Werkzeugrahmen eine vergleichsweise hohe Steifigkeit und Festigkeit erreicht werden kann. Somit kann mit vergleichsweise hohen Drücken bei der Bauteilherstellung gearbeitet werden (Schritt e)). Als Werkzeug können durch konventionellen 3D-Druck hergestellte Werkzeuge bspw. aus Kunststoff eingesetzt werden. Durch die Anordnung des Werkzeugs im Werkzeugrahmen kann die geringere Steifigkeit und Festigkeit der Werkzeug-Werkstoffe (bspw. Kunststoff) ausgeglichen bzw. egalisiert werden. Der Werkzeugrahmen ist insbesondere als eigensteifer Rahmen ausgebildet.
Vorzugsweise wird die Formmasse durch Vermengen, bspw. durch Einrühren, von recycelten Kohlenstofffasern in Epoxydharz hergestellt. Hiermit lässt sich auf einfache Weise eine fließfähige Formmasse bzw. Gussmasse bereitstellen.
Vorzugsweise weisen die recycelten Kohlenstofffasern eine Länge von 50µm bis 150 µm, insbesondere von 100 µm (Mikrometer), auf. Hierdurch kann durch die Kohlenstofffasern im ausgehärteten Zustand eine stabilisierende Wirkung für das Bauteil erreicht werden, wobei die Fließfähigkeit der Formmasse im noch nicht ausgehärteten (fließfähigen) Zustand hinreichend erhalten bleibt.
Vorzugsweise beträgt der Fasermassenanteil der recycelten Kohlenstofffasern in der Formmasse mindestens 30%, vorzugweise mindestens 40%, weiter vorzugsweise mindestens 50%. Hiermit kann bei hinreichend fließfähiger Formmasse ein hoher Anteil an recycelter Kohlenstofffaser und damit eine hohe stabilisierende Wirkung für das Bauteil erreicht werden.
Vorzugsweise kann das (durch 3D-Druck hergestellte) Werkzeug aus Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast (bspw. Polylactid (PLA), etc.) oder einem Duroplast ausgebildet sein. Dies trägt zu einer kostengünstigen und vergleichsweise leichten Bauweise des Werkzeugs bei. Die Kunststoffe sind insbesondere ohne Poren und unerwünschte Hohlräume ausgebildet (bei den oben beschriebenen Kavitäten handelt es sich nicht um unerwünschte Hohlräume). Die gedruckten Kunststoffe bzw. das gedruckte Werkzeug verhalten sich unter Druckbeanspruchung insbesondere inkompressibel.
Vorzugsweise kann das Werkzeug ein oder mehrere Sollbruchstellen aufweisen. Diese Sollbruchstellen erleichtern ein Freilegen des in der Kavität des (noch unzerstörten) Werkzeugs enthaltenen Bauteils.
Vorzugsweise können das Rahmenteil und das Bodenteil des Werkzeugrahmens miteinander verbunden, insbesondere miteinander verbolzt, sein. Somit sind das Rahmenteil und das Bodenteil fest miteinander verbunden. Dies begünstigt eine Abstützung eines im Aufnahmeraum angeordneten Werkzeugs. Das Bodenteil ist insbesondere derart ausgebildet, dass dieses den lichten Querschnitt des Rahmenteils vollständig verschließt. Das Bodenteil und das Rahmenteil können gleiche Hauptabmessungen aufweisen (Länge und Breite).
Vorzugsweise kann das Werkzeug derart ausgebildet sein, dass dieses passend in den Aufnahmeraum des Werkzeugrahmens einsetzbar ist. Somit können die Außenkontur des Werkzeugs und die Innenkontur des Rahmenteils und des Bodenteils einander weitgehend, insbesondere vollständig, entsprechen. Somit liegt das Werkzeug im eingesetzten Zustand derart am Bodenteil und Rahmenteil an, dass zwischen Werkzeugrahmen und Werkzeug eine Abstützung bzw. Kraftübertragung erfolgen kann. Dies erlaubt besonders hohe Drücke bei der Bauteilherstellung.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Bauteil gelöst, welches durch ein Verfahren mit einem oder mehreren der voranstehend beschriebenen Aspekte hergestellt wird. Hinsichtlich der Vorteile wird auf die diesbezüglichen Ausführungen zum Verfahren verwiesen.
Zur weiteren Ausgestaltung des Bauteils können die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt, jeweils schematisch,

1 einen beim Verfahren eingesetzten Werkzeugrahmen in einer Draufsicht (1 a) und in einer in 1 a eingezeichneten Schnittansicht (1 b); und
2 den Werkzeugrahmen aus 1 mit eingesetztem Werkzeug und hergestelltem Bauteil in einer Draufsicht (2a) und in einer in 2a eingezeichneten Schnittansicht (2b).

Die 1a und 1b zeigen einen Werkzeugrahmen, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Der Werkzeugrahmen 20 weist ein umlaufendes Rahmenteil 22 auf, welches einen Aufnahmeraum 24 für ein Werkzeug zu den Seiten hin begrenzt. Zudem weist der Werkzeugrahmen 20 ein Bodenteil 26 auf, welches den Aufnahmeraum 24 in Schwerkraftrichtung g nach unten begrenzt (vgl. 1 b).
Das Rahmenteil 22 und das Bodenteil 26 des Werkzeugrahmens 20 sind miteinander verbunden und im Beispiel miteinander verbolzt. Das Bodenteil 26 ist im Beispiel derart ausgebildet, dass dieses den lichten Querschnitt des Rahmenteils 22 vollständig verschließt. Im Beispiel weisen das Bodenteil 26 und das Rahmenteil 22 gleiche Hauptabmessungen auf (gleiche Länge und Breite; vgl. 1a und 1b).
Die 2a und 2b zeigen den Werkzeugrahmen 20, wobei in den Aufnahmeraum 24 ein Werkzeug 30 eingesetzt ist und das faserverstärkte Bauteil 10 ebenfalls gezeigt ist.
Das Werkzeug 30 ist durch 3D-Druck hergestellt und weist im Beispiel eine Kavität 32 zur Formgebung des Bauteils 10 auf. Das Werkzeug 30 ist aus Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast oder einem Duroplast ausgebildet, wie oben beschrieben. Der Kunststoff ist im Beispiel ohne Poren und unerwünschte Hohlräume ausgebildet (bei der Kavität 32 handelt es sich nicht um einen unerwünschten Hohlraum).
Das Werkzeug 30 ist im Beispiel derart ausgebildet, dass dieses passend in den Aufnahmeraum 24 des Werkzeugrahmens 20 einsetzbar ist. Die Außenkontur 34 des Werkzeugs 30 und die Innenkontur 28 des Rahmenteils 22 und des Bodenteils 26 entsprechen einander weitgehend, insbesondere vollständig. Das Werkzeug 30 liegt im eingesetzten Zustand derart am Bodenteil 26 und Rahmenteil 22 an, dass zwischen Werkzeugrahmen 20 und Werkzeug 30 eine Abstützung bzw. Kraftübertragung erfolgen kann.
Das Werkzeug 30 kann eine oder mehrere Sollbruchstellen aufweisen (nicht gezeigt). Diese erleichtern ein Freilegen des Bauteils 10 aus der Kavität 32 (Freilegen des Bauteils 10 ist in 2a und 2b noch nicht erfolgt).
Wie oben erläutert, ist das Bauteil 10 aus einem ausgehärteten Faser-Harz-Gemisch ausgebildet, nämlich einem Gemisch bzw. einer Formmasse aus recycelten Kohlenstofffasern und Epoxidharz (nicht im Einzelnen gezeigt). Die recycelten Kohlenstofffasern sind mit dem Epoxidharz vermengt, insbesondere in dieses eingerührt. Die recycelten Kohlenstofffasern weisen im Beispiel eine Länge von 50µm bis 150 µm auf. Der Fasermassenanteil der recycelten Kohlenstofffasern in der Formmasse beträgt im Beispiel mindestens 30%.
Das Verfahren zum Herstellen des faserverstärkten Bauteils enthaltend recycelte Kohlenstofffasern kann wie folgt ablaufen.
Es wird der Werkzeugrahmen 20 bereitgestellt, der durch das umlaufende Rahmenteil 22 und das Bodenteil 26 den Aufnahmeraum 24 für das Werkzeug 30 begrenzt (vgl. 1a und b). Zuvor, gleichzeitig oder danach wird durch 3D-Druck das Werkzeug 30 hergestellt und entsprechend bereitgestellt, wobei das Werkzeug 30 im Beispiel eine Kavität 32 (Negativform) zur Formgebung des Bauteils 10 aufweist.
Nach Bereitstellung des Werkzeugs 30 und des Werkzeugrahmens 20 wird das Werkzeug 30 in den Aufnahmeraum 24 des Werkzeugrahmens 20 eingesetzt (vgl. 2a und b). Zuvor, gleichzeitig oder nach diesen Schritten wird eine fließfähige Gussmasse bzw. Formmasse (Material zur Herstellung des Bauteils 10) bereitgestellt, bei der es sich um ein Faser-Harz-Gemisch handelt, welches die recycelten Kohlenstofffasern enthält.
Hiernach wird die Formmasse in die Kavität 32 des Werkzeugs 30 eingebracht bzw. die Kavität 32 des Werkzeugs 30 mit der (fließfähigen) Formmasse mittels Überdruck befüllt. Während und/oder nach dem Einbringen der Formmasse härtet die Formmasse aus. Mit anderen Worten erkaltet die (fließfähige) Formmasse und härtet zu dem faserverstärkten Bauteil 10 aus (vgl. 2a und b).
Nach einem Aushärten der Formmasse erfolgt ein Zerstören des Werkzeugs 30 zum Freilegen des faserverstärkten Bauteils 10. Das Bauteil 10 kann somit aus dem Aufnahmeraum 24 und/oder dem Werkzeug 30 entnommen werden. Das Bauteil 10 entspricht in seiner Form (Außenkontur) der vor einem Zerstören des Werkzeugs 30 am oder im Werkzeug 30 angeordneten Kavität 32 (Innenkontur).
Das Verfahren kann weiter ausgestaltet werden wie oben beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011081374 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Bauteils (10) enthaltend recycelte Kohlenstofffasern, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Werkzeugrahmens (20), der durch ein, insbesondere umlaufendes, Rahmenteil (22) und ein Bodenteil (26) einen Aufnahmeraum (24) für ein Werkzeug (30) begrenzt, b) Bereitstellen eines durch 3D-Druck hergestellten Werkzeugs (30), wobei das Werkzeug (30) mindestens eine Kavität (32) zur Formgebung des Bauteils (10) aufweist, c) Einfügen des Werkzeugs (30) in den Aufnahmeraum (24) des Werkzeugrahmens (20), d) Bereitstellen einer fließfähigen Formmasse, bei der es sich um ein Faser-Harz-Gemisch handelt, welches die recycelten Kohlenstofffasern enthält, e) Einbringen des Formmasse in die Kavität (32) des Werkzeugs (30) mittels Überdruck, f) Aushärten der Formmasse, und g) Zerstören des Werkzeugs (30) nach einem Aushärten der Formmasse zum Freilegen des Bauteils (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formmasse durch Vermengen von recycelten Kohlenstofffasern in Epoxydharz hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die recycelten Kohlenstofffasern eine Länge von 50µm bis 150 µm aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fasermassenanteil der recycelten Kohlenstofffasern in der Formmasse mindestens 30%, vorzugweise mindestens 40%, weiter vorzugsweise mindestens 50%, beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (30) aus Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast oder einem Duroplast ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (30) ein oder mehrere Sollbruchstellen aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenteil (22) und das Bodenteil (26) des Werkzeugrahmens (20) miteinander verbunden, insbesondere miteinander verbolzt, sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (30) derart ausgebildet ist, dass dieses passend in den Aufnahmeraum (24) des Werkzeugrahmens (20) einsetzbar ist.
Bauteil (10), hergestellt durch ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche.