DE10253100A1

DE10253100A1 - Formteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10253100A1
Application number: DE2002153100
Authority: DE
Inventors: Kurt Fraunhofer
Original assignee: Fritzmeier Composite & Co GmbH
Current assignee: Fritzmeier Composite & Co GmbH
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-05-27

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung eines RTM-Formteils, bei dem die Entlüftung einer Werkzeugkavität durch den Schaumkern hindurch erfolgt. Der Schaumkern kann dazu mit einem Entlüftungskanalsystem versehen sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein nach diesem Verfahren herstellbares Formteil und einen bei dem Formteil verwendeten Schaumkern.
Das Harzinjektionsverfahren, insbesondere das RTM-Verfahren (resin-transfer molding) ist bereits seit den frühen 50iger Jahren bekannt. Es erlaubt eine wirtschaftliche Herstellung von Faserverbundteilen, wobei durch die Auswahl, Art und Anordnung von Verstärkungsmaterialien sowie die Wahl eines Matrixsystems (Harz) Formteile herstellbar sind, die in idealer Weise an die auftretenden Beanspruchungen angepaßt sind.
Unter einem RTM-Verfahren versteht man die Herstellung von Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen in einem geschlossenen Werkzeug. Dabei wird zunächst ein Schaumkern, beispielsweise ein PU-Hartschaum oder Partikelschaumkörper aus EPS oder EPP vorgefertigt und mit Verstärkungsmaterialien, wie beispielsweise ungetränkten Fasern/Fasermatten oder Geweben sowie mit weiteren Verstärkungen und Einlegeteilen belegt. Diese vorgefertigte Mumie wird in die Kavität des Werkzeuges eingelegt und dieses geschlossen und mit vergleichsweise hohem Druck zugehalten.
Über einen bauteil- und werkzeugspezifisch angelegten Anguß wird ein Reaktionsharz in das Werkzeug eingespritzt. Dabei erfolgt gleichzeitig die Tränkung der Fasereinlagen und der Verguß aller Einlegeteile einschließlich des Schaumkerns zu einem Formteil. Zur Prozeßunterstützung ist die Beheizung der Form und des Harzsystems wichtig, da hiermit die Viskosität der Reaktionsharze deutlich reduziert werden und somit der Druckbedarf verringert wird, um das Harz in die Form einzuspritzen.
Um die vollständige Füllung der Kavität mit dem Reaktionsharz zu gewährleisten, wird an diese ein Unterdruck angelegt, so dass die Tränkung der Bestandteile wesentlich erleichtert ist.
Ein Problem bei diesem RTM-Prozeß ist, dass die Position der Entlüftungsstelle sehr sorgfältig ausgewählt werden muß. Prinzipiell sollte diese Entlüftung an einem Ort angeordnet werden, an dem die Fließfront beim Einspritzen zuletzt angelangt. Würde man die Entlüftung, in Bewegungsrichtung der Fließfront gesehen, weiter stromaufwärts anbringen, so würde das Harz aus dieser Entflüftung austreten, so dass eine vollständig Füllung der Form mit Reaktionsharz nicht gewährleistet ist.
Die Positionierung der Entlüftungsbausteine im Werkzeug ist äußerst schwierig, da sich dieser Ort durch veränderte Bedingungen während des Produktionsprozesses (leichtes Verschieben von Fasereinlagen, örtliches Aushärten des Reaktionsharzes) ändern kann, so dass die Entlüftung nicht bis zum Schluß des Füllprozesses arbeitet. Es kann sogar vorkommen, daß dann über diese Entlüftung gezielt eine Harzspülung vorzunehmen ist, um alle Lufteinschlüsse aus der Kavität herauszuspülen.
Insbesondere bei hochkomplexen Bauteilen, wie sie in der Fahrzeugindustrie Verwendung finden, ist die Positionierung der Entflüftung äußerst schwierig.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils und ein nach diesem Verfahren herstellbares Formteil zu schaffen, bei denen die Entlüftung auf einfache Weise gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit dem Merkmal des Patentanspruchs 1 sowie ein Formteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Schaumkern gemäß Patentanspruch 12, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. beim erfindungsgemäßen Formteil eingesetzt werden kann.
Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Entlüftung nicht in herkömmlicher weise durch Anlegen des Unterdrucks an die Werkzeugkavität zu bewirken, sondern die Entlüftung über den Kern durchzuführen. D.h., an den Kern wird ein Unterdruck angelegt, so dass das entstehende Formteil praktisch von innen entlüftet wird und somit eine vollständige Benetzung der aufgelegten Elemente (Verstärkungsmaterial, Einlegeteile und der Oberfläche des Schaumkerns) gewährleistet ist.
Diese Lösung zeichnet sich durch besondere Einfachheit aus, da werkzeugseitig keine eigenen Entlüftungseinrichtungen vorgesehen werden müssen. Die Entlüftungswirkung ist erfindungsgemäß durch geeignete Wahl des Materials für den Schaumkern und/oder Einbringen von Entlüftungskanälen in den Schaumkern steuerbar.
So wird es bevorzugt, den Schaumkern entweder aus einem offenzelligen System oder aus einem Schaummaterial mit einem vergleichsweise hohen Anteil an offenen Zellen zu fertigen. Im letztgenannten Fall soll der Anteil der offenen Zellen unter 90 % liegen. Die Offenzelligkeit und damit die Permiabilität des Schaumstoffs ist nach heutiger Technologie relativ einfach einstellbar, so dass die Entlüftung mit geringem fertigungstechnischen Aufwand realisierbar ist.
Zur weiteren Verbesserung der Entlüftung kann im Schaumkern ein an den Niederdruckanschluß angeschlossenes Kanalsystem eingebracht werden. Dieses Kanalsystem kann durch Einlegeteile beim Schäumen des Kunststoffs eingebracht werden. Vorstellbar ist es auch, den Schaumkern zweiteilig zu fertigen und die Entlüftungskanäle nachträglich einzuarbeiten und dann die beiden Schaumkernteile zusammenzufügen.
Insbesondere bei Verwendung eines offenzelligen Schaumkerns ist es vorteilhaft, wenn dieser mit einer Membran belegt wird, die einerseits luftdurchlässig ist und andererseits eine Sperrschicht für das Harz darstellt. Durch diese Membran ist sichergestellt, das im Formteil eingeschlossene Luft zuverlässig abgesaugt wird, während ein Eintreten des Harzes in das Schaumkerninnere verhindert wird.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche. Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch ein Werkzeug zur Herstellung eines RTM-Formteils und
2 eine geschnitte Seitenansicht des Werkzeugs gemäß 1.
1 zeigt einen stark vereinfachten Schnitt durch ein Werkzeug 1, das beim RTM-Verfahren verwendet wird. Ein derartiges Werkzeug 1 hat eine feststehende werkzeugplatte 2 und eine bewegliche Werkzeugplatte 4, die gemeinsam eine Kavität 6 begrenzen. Zum Herstellen eines Formteils wird die bewegliche Werkzeugplatte 4 von der feststehenden Werkzeugplatte 2 abgehoben und eine Mumie, bestehend aus einem Schaumkern 8 und auf diesem aufgebrachten Verstärkungsmaterialien, eingelegt. Bei diesen Verstärkungsmaterialien handelt es sich um Fasern/Fasermatten, Gelege oder Gewebe sowie weitere Verstärkungs- und Einlegeteile, die auf dem Schaumkern vorfixiert werden.
Als Schaumkern kann beispielsweise PU-Hartschaum oder ein Partikelschaumkörper aus EPS oder EPP verwendet werden, wobei entweder ein offenzelliges System oder ein Schaumstoff mit einem gewissen Anteil von offenen Zellen verwendet wird. Durch diesen Anteil an offenen Zellen läßt sich die Permabilität des Schaumkerns steuern, die – wie im folgenden noch ausgeführt wird – für die Entlüftung des Formteils wesentlich ist.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Schaumkern 8 ein Entlüftungskanal 12 ausgebildet, der gemäß 2 an einen Vakuumanschluß 14 angeschlossen ist. Dieser Vakuumanschluß 14 kann beispielsweise über ein Rohr oder einen Schlauch erfolgen, der in den Entlüftungskanal 12 eingesetzt und aus dem Werkzeug 1 ausgeführt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft der Entlüftungskanal 12 etwa in der Trennebene 16 des Werkzeuges. Selbstverständlich kann dieser Entlüftungskanal 12 auch wie in 2 gestrichelt angedeutet, auf andere Weise positioniert werden – wesentlich ist, dass eine zuverlässige Entlüftung des zu fertigenden Formteils gewährleistet ist.
Das Matrixmaterial (Reaktionsharz) zum Tränken, des Verstärkungsmaterials 10 und zum Vergiessen mit dem Schaumkern 8 wird über einen schematisch dargestellten Anguß 22 zugeführt. Dieser hat eine nicht dargestellte werkzeugseitige Angußbuchse, an die eine Injektionseinheit mit einem Mischkopf angesetzt wird. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird somit das Reaktionsharz in die Trennebene 16 von rechts her eingespritzt, so dass die Fließfront sich entlang der Schaumkernoberfläche 8 nach links fortbewegt, bis die gesamte Kavität 6 mit Reaktionsharz gefüllt ist. Während dieses Einspritzvorganges wird über den Vakuumanschluß 14 Luft abgesaugt, wobei diese Entlüftung durch den Schaumkern 8 hindurch erfolgt. Zur Steuerung der Aushärtung ist das Werkzeug 1 mit einer Heizung 18 versehen. Die Kavität 6 ist über in der Trennebene angeordnete Werkzeugdichtungen 20 abgedichtet.
Durch das in geeigneter Weise gewählte Verhältnis zwischen offenen und geschlossenen Zellen wirkt der Schaumkern 8 als eine Art Membran, die zwar das Absaugen der Luft aus der Kavität 6 ermöglicht, aber kein oder nur eine sehr geringe Menge an Harz in den Schaumkern 8 eindringen läßt.
Bei dem in den 1 und 2 dargestellten, sehr einfach aufgebauten Formteil kann man unter Umständen auf das Eindringen eines Entlüftungskanals 12 verzichten, so dass die Absaugung lediglich über das Porensystem des Schaumkerns 8 erfolgt. Bei komplexeren Bauelementen dürfte es erforderlich sein, nicht nur einen einzigen Entflüftungskanal 12 sondern ein System an verzweigenden Entlüftungskanälen einzubringen, wobei diese meanderförmig den Schaumkern 8 durchsetzen. Dabei können sich die Entlüftungskanäle 12 sowohl parallel zur Trennebene als auch senkrecht oder schräg zur Trennebene erstrecken.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird es bevorzugt, wenn der Schaumkern 8 mit den Entlüftungskanälen 12 vorgefertigt wird. Dabei können beim Herstellen des Schaumkerns 8 Einlegeteile in die Form zur Herstellung des Kerns eingelegt werden, die nach dem Schäumen das Entlüftungskanalsystem ausbilden. Als Einlegeteile kommen beispielsweise Schläuche in Betracht, die nach dem Aushärten des Schaumkörpers aus diesem herausgezogen werden. Prinzipiell könnten jedoch auch verlorene Einlegeteile verwendet werden.
Bei einem alternativen Herstellverfahren kann der Schaumkern entweder zweiteilig hergestellt oder nach dem Schäumen zweigeteilt werden, so dass das Kanalsystem nachträglich in die Trennebene zwischen den Schaumkernteilen eingebracht wird. Prinzipiell können die Schaumkernteile auch getrennt voneinander geschäumt und dabei bereits das Entlüftungskanalsystem mit berücksichtigt werden, das dann beim Zusammenfügen des Schaumkerns geschlossen wird.
Bei der Verwendung von offenporigen Systemen für den Schaumkern 8, beispielsweise von Halbhartschaum, ist es vorteilhaft, wenn auf den vorgefertigten Schaumkern 8 (ggfs. mit Entlüftungskanälen) eine Membran aufgelegt wird, die luftdurchlässig ist, aber eine Sperre für das Harz darstellt. Beim Anlegen des Unterdrucks an den Kern kann die Luft durch die Membran hindurch in das Zellensystem des Schaumkerns 8 eintreten und abgesaugt werden. Das Eindringen von Harz wird jedoch zuverlässig verhindert, so dass das Porensystem nicht verstopft wird. Selbstverständlich muss die Membran so gewählt werden, dass sie eine gute Anbindung an den Schaumkern und an das Verstärkungsmaterial ermöglicht.
Der Vorteil von offenzelligen Schaumsystemen liegt darin, dass diese mit dickeren Wandstärken hergestellt werden können und eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen, da die offenen Zellen bei Temperaturschwankungen einen besseren Druckausgleich innerhalb des Schaumkerns ermöglichen. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Randbereiche des Schaumkerns durch Temperaturschwankungen übermäßig belastet werden und somit in der Struktur zerstört werden können.
Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung eines RTM-Formteils, bei dem die Entlüftung einer Werkzeugkavität durch den Schaumkern hindurch erfolgt. Der Schaumkern kann dazu mit einem Entlüftungskanalsystem versehen sein.

1: Werkzeug
2: feststehende Werkzeugplatte
4: bewegliche Werkzeugplatte
6: Kavität
8: Schaumkern
10: Verstärkungsmaterial
12: Entlüftungskanal
14: Vakuumanschluss
16: Trennebene
18: Heizung
20: Werkzeugdichtung
22: Anguß

Claims

Verfahren zur Herstellung eines RTM-Formteils mit den Schritten: – Herstellen eines Schaumkerns (8) – Belegen des Schaumkerns (8) mit Verstärkungsmaterial (10) – Einlegen des belegten Schaumkerns (8, 10) in ein Werkzeug (1) und Einspritzen von Matrixmaterial – Aushärten und Entnehmen des Formteils, wobei während des Einspritzvorganges eine Entlüftung der Werkzeugkavität (6) erfolgt, um eine hinreichende Durchtränkung des Verstärkungsmaterials zu gewährleisten, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftung durch den Schaumkern (8) hindurch erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei an den Schaumkern (8) ein Unterdruck angelegt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei bei der Herstellung des Schaumkerns (8) Einlegeteile zum Ausbilden zumindest eines Entlüftungskanals (12) eingelegt werden.
Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die Einlegeteile nach dem Ausbilden des Schaumkerns (8) entnommen werden.
Verfahren nach Patentanspruch 3 oder 4, wobei die Einlegeteile Schläuche sind.
Formteil, hergestellt nach einem Harzinjektionsverfahren, mit einem Schaumkern (8) und darauf aufgebrachten Verstärkungsmaterialien (10) wie Fasern, Geweben, Gelegen, die mittels eines Matrixmaterials bei erhöhtem Druck und Temperatur miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkern (8) beim Herstellen des Formteils mit einem Entlüftungsanschluss (12, 14) versehen ist.
Formteil nach Patentanspruch 6, wobei der Schaumkern (8) aus einem offenzelligen System hergestellt ist oder einen vergleichsweise hohen Anteil an offenen Zellen enthält.
Formteil nach Patentanspruch 6 oder 7, wobei im Schaumkern (8) zumindest ein Entlüftungskanal (12) ausgebildet ist, der mit dem Entlüftungsanschluss (14) verbunden ist.
Formteil nach Patentanspruch 8, wobei vom Entlüftungskanal (12) Zweigkanäle abzweigen.
Formteil nach einem der Patentansprüche 6 bis 9, wobei der Schaumkern (8) mit einer luftdurchlässigen und im wesentlichen harzundurchlässigen Membran belegt ist.
Formteil nach einem der Patentsprüche 6 bis 10, wobei der Schaumkern (8) einen Anteil an offenen Zellen unter 90% hat.
Schaumkern für ein Formteil gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, gekennzeichnet durch einen Entlüftungsanschluss (14).
Schaumkern nach Patentanspruch 12, mit zumindest einem Entlüftungskanal (12).