DE4234002C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbund-Hohlprofilteils - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines einseitig offenen Hohlprofilteils aus durchgehend über den Hohlprofilquerschnitt viellagig faserverstärktem, unter Druckeinwirkung ausgehärtetem Werkstoff, insbesondere eines dickwandigen, im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen Faserverbundbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 6.

Zur Herstellung von einseitig offenen, etwa U- oder schlaufenförmigen Hohlprofilteilen aus einer Vielzahl von übereinandergeschichteten Faser­ lagen werden die Faserlagen üblicherweise nacheinander auf einem der Innenkontur des Hohlprofilteils entsprechenden Druckstempel zu einem Vorformteil, dessen Wanddicke über der des fertigen Bauteils liegt, falten­ frei abgelegt und angerollt und anschließend wird das Vorformteil in einer äußeren Preßform unter Verdichtung des Faserverbundlaminats in die end­ gültige Gestalt des Hohlprofils verpreßt und ausgehärtet. Dabei kommt es jedoch insbesondere bei dickwandigeren Hohlprofilteilen in den Bereichen starker Profilkrümmung, also etwa den Eckbereichen eines U-Profils, zu höchst unerwünschten Fehlorientierungen der Faserlagen, d. h. die ursprüng­ lich gestreckt liegenden Fasern werden ausgelenkt und es entstehen mehr oder weniger stark ausgebildete Falten im fertigen Bauteil. Um derartigen Faser-Desorientierungen entgegenzuwirken, ist es ferner bekannt, das Vor­ formteil schrittweise jeweils nach Ablegen einiger weniger Faserlagen etwa durch Vakuumkompression des Laminats vorzuverdichten, was aber ein sehr zeitaufwendiger Vorgang ist und das Problem von Faser-Fehlausrich­ tungen im fertigen Bauteil nur in begrenztem Umfang zu beheben vermag.

Ferner ist aus der DE-PS 7 42 682 ein mehrteiliges Preßformwerkzeug für Schichtstoffe aus Fasern und härtbarem Kunstharz bekannt, bei dem die Schichtstoffe im warm vorgebogenen Zustand in einen Formraum zwischen einer starren, äußeren Preßform und einem expandierbaren Druckstempel eingelegt und anschließend durch Expansion des Druckstempels verpreßt werden. Auch hierdurch können aber die erwähnten Faserlagenstauchungen und -faltungen nicht wirksam verhindert werden.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, das Verfahren und die Vor­ richtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf fertigungstech­ nisch einfache Weise ein qualitativ hochwertiger, von den erwähnten Faser- Desorientierungen freier Faserlagenaufbau des Hohlprofilteils zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Verfahren bzw. die im Patentanspruch 6 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die Einzelablage der Faserlagen auf dem ex­ pandierbaren Druckstempel zu einem Vorformteil mit einer gegenüber dem fertigen Hohlprofilteil verengten Innenkontur beim Aufweiten und Komprimieren des Faserverbundlaminats in die endgültige Profilform und -wandstärke mittels der Stempelexpansion ein Nachziehen der Faserlagen von den freien Faserlagenenden aus und dadurch eine über die gesamte Länge wirksame Straffung sämtlicher Faserlagen erzielt, so daß selbst bei dickwandigen, zumindest stellenweise stark gekrümmten Bauteilen eine steifigkeits- und festigkeitsmäßig hochwertige, von Faltenbildungen und anderen Faser-Desorientierungen freie Faserlagenstruktur ohne umständ­ liche Vorverdichtung des Faserverbundlaminats garantiert wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die endgültige Formgebung gemäß Anspruch 2 vorzugsweise durch eine im wesentlichen zentrische Streckung des Vorformteils, wodurch sich bei der innenkontur­ seitigen Aufweitung und Verdichtung des Faserverbundlaminats in den ein­ zelnen Faserlagen eine äußerst günstige Zugspannungsverteilung in Rich­ tung ihrer Flächenerstreckung ergibt.

Aus Gründen einer hohen Formgenauigkeit wird das Vorformteil gemäß An­ spruch 3 zweckmäßigerweise in einem Preßformwerkzeug mit einer starren Formfläche verpreßt. Eine besonders gleichmäßige Straffung der Faserlagen beim Verpressen wird gemäß Anspruch 4 vorzugsweise dadurch erreicht, daß bei der Druckstempel-Expansion der Preßdruck zunächst in einem mittleren Bereich des Vorformteils und dann fortschreitend zu den freien Faserlagenenden hin aufgebaut wird.

Zweckmäßigerweise wird die Faserverbundmatrix gemäß Anspruch 5 beim Verpressen des Vorformteils in einem niedrigen Viskositätszustand gehal­ ten, um Störwirkungen der Faserverbundmatrix, die die freie Relativver­ schiebung und Straffung der einzelnen Faserlagen bei der Stempelexpansion behindern könnten, auszuschalten.

Eine zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens besonders bevorzugte Formvorrichtung ist in den Ansprüchen 6 bis 8 gekennzeichnet. So besteht der Druckstempel aus Gründen einer hohen Formgenauigkeit vorzugsweise aus mehreren, in sich starren, relativ zueinander aufspreizbaren Stempel­ teilen, und zwar im Hinblick auf eine einfache konstruktive Gestaltung zweckmäßigerweise aus zwei Stempelhälften, die quer zur Vorschubrich­ tung des Druckstempels mittels eines Spreizkeils aufweitbar sind, dessen Stirnfläche im expandierten Zustand des Druckstempels einen Teil der form­ gebenden Stempelfläche bildet. Dabei sind die formgebenden Druckstempel­ flächen im expandierten Zustand wiederum aus Gründen einer exakten Steuerung des Preßformvorgangs vorzugsweise durch werkzeugfeste An­ schläge fixiert.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierte Darstellung:

Fig. 1 einen Schnitt eines einseitig offenen Faserverbund- Hohlprofilteils in Form eines U-Profils im ausgehär­ teten Zustand;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des kombinierten Lege- und Preßformwerkzeugs vor dem Ablegen der Fa­ serlagen;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung nach Been­ digung des Legevorgangs;

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung nach dem Aufsetzen der Außenform und

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Darstellung des kombi­ nierten Lege- und Preßformwerkzeugs nach Beendigung des Preßformvorgangs.

Fig. 1 zeigt ein relativ dickwandiges im Querschnitt U-förmiges Hohlprofilteil 2, das aus langfaserverstärktem Werkstoff aus einer Vielzahl von übereinanderliegenden, parallel zur Bauteil-Innenkontur verlaufenden Faserlagen besteht, wie dies in Fig. 1 durch die Rich­ tungspfeile angedeutet ist. Üblicherweise wird das Bauteil 2 dadurch hergestellt, daß die Faserlagen nacheinander auf einem der Bauteil- Innenkontur entsprechenden Legekern mit der lichten Weite W bis zu einer um das Übermaß x die endgültige Wandstärke d des Bauteils 2 übersteigenden Laminatdicke abgelegt werden und das so entstandene Vorformteil, dessen Außenkontur in Fig. 1 in gestrichelten Linien gezeigt ist, anschließend in einem Preßformwerkzeug durch außenkon­ turseitige Kompression in die endgültige Hohlprofilform verpreßt und ausgehärtet wird. Hierbei kommt es jedoch insbesondere in den stark gekrümmten Eckbereichen des U-Profils zu den erwähnten Faser-Deso­ rientierungen.

Erfindungsgemäß hingegen wird das Vorformteil mit einer gegenüber dem herzustellenden Bauteil verkleinerten Innenkontur auf einem Formwerkzeug 4 abgelegt, welches aus einem feststehenden Legetisch 6 und mit diesem fest verschraubten, hinteren und - in Fig. 2 gestri­ chelt dargestellten - vorderen Seitenwangen 8, 10 sowie einem zwi­ schen diesen angeordneten, geteilten, als Legekern wirkenden Druck­ stempel 12 zusammengesetzt ist, dessen Stempelhälften 14, 16 auf dem Legetisch 6 aufliegen und während des Lagevorgangs mittels Absteck­ bolzen 18 an den Seitenwangen 8, 10 positioniert und gegen Umkippen gesichert sind. In dieser Stellung berühren sich die Stempelhälften 14, 16 linienförmig im oberen Bereich, wobei die gemeinsame Breite B beider Stempelhälften 14, 16 entsprechend der gegenüber der endgül­ tigen Innenkontur des Bauteils 2 verengten Querschnittsgeometrie des Legekerns um ein vorgegebenes Maß kleiner ist als die lichte Weite W das darzustellenden U-Profilteils 2.

Zwischen den Stempelhälften 14, 16 befindet sich ein Spreizkeil 20, welcher am Legetisch aufliegt und mit Führungselementen 22 versehen ist, die in entsprechende Führungsschlitze in den Seitenwangen 8, 10 eingreifen und eine vertikal verschiebliche Führung des Spreizkeiles 20 ermöglichen.

Über die Stempelhälften 14, 16 werden mit Harz imprägnierte Gewebe - bzw. unidirektionale Faserlagen mit dem in Fig. 3 dargestellten Fa­ serlagenverlauf übereinander abgelegt, wobei die einzelnen Faserla­ gen am Legetisch 6 enden. Am Ende des Legevorgangs besitzt das so hergestellte Vorformteil 24 (Fig. 3) eine wiederum um das Kompres­ sionsmaß x gegenüber der endgültigen Wandstärke d des herzustellen­ den U-Profils 2 erhöhte Laminatdicke D und das Außenmaß B + 2 D des Vorformteils 24 weist ein geringes Untermaß gegenüber der späteren Außenkontur des U-Profils 2 auf.

In einem nächsten Arbeitsschritt (Fig. 4) wird eine einteilige Au­ ßenform 26 mit einer der Außenkontur des Bauteils 2 entsprechenden Formfläche 28 zwischen die Seitenwangen 8, 10 eingeführt, über nicht gezeigte Paßstifte am Legetisch 6 positioniert und mit diesem durch Befestigungsschrauben 30 verschraubt, woraufhin die Absteckbolzen 18 gezogen und das Formwerkzeug 4 um 180° gedreht wird, so daß der Le­ getisch 6 nunmehr oben liegt.

Anschließend wird das Formwerkzeug 4 in einen Umluft-Härteofen (nicht gezeigt) eingefahren. Durch das Aufheizen des Faserverbund­ laminats verringert sich die Viskosität der Harzmatrix. Nunmehr wird mittels einer Druckspindel 32 (Fig. 5) der Spreizkeil 20 in Vor­ schubrichtung zwischen die Druckstempelhälften 14, 16 eingefahren. Hierdurch wird der Druckstempel 12 expandiert, und in der in Fig. 5 gezeigten Anschlagposition der Druckspindel 32 sind die Formflächen 34, 36 der Stempelhälften 14, 16 auf die lichte Profilweite W aufge­ weitet und bilden gemeinsam mit der Stirnfläche 38 des Spreizkeils 20 die Innenkontur des Hohlprofilteils. Durch die Expansion des Druckstempels 12 wird das Faserverbundlaminat des Vorformteils auf die endgültige Profildicke d verdichtet und dabei werden die einzel­ nen Faserlagen gestrafft, und es entsteht ein absolut faltenfreies Faserverbundlaminat. Überschüssiges Harz kann während des Verpres­ sens durch Bohrungen 40 im Legetisch 6 und (nicht gezeigt) in den Seitenwangen 8, 10 nach oben austreten.

Die Expansion des Druckstempels 12 wird so gesteuert, daß die Stem­ pelhälften 14, 16 zunächst gemeinsam mit dem Spreizkeil 20 in Vor­ schubrichtung verfahren und erst in der letzten Vorschubphase des Spreizkeils 20 seitlich auf die endgültige Profilweite W aufge­ spreizt werden, so daß sich der Preßdruck zunächst an den mittleren Profilabschnitten zwischen den Eckbereichen und dann fortschreitend zu den freien Profilenden des U-Profils hin aufbaut.

Nach Beendigung des Härtevorganges wird die Außenform 26 demontiert und das maßgenaue Hohlprofilteil 2 entnommen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines einseitig offenen Hohlprofilteils aus durchgehend über den Hohlprofilquerschnitt viellagig langfaserver­ stärktem, unter Druckeinwirkung ausgehärtetem Werkstoff, insbeson­ dere eines dickwandigen, im Querschnitt im wesentlichen U-förmigen Faserverbundbauteils, mittels eines Druckstempels, der in ein Preß­ formwerkzeug eingebracht und darin expandiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Faserlagen nacheinander auf der gegenüber der Innen­ kontur des fertigen Hohlprofilteils im Querschnitt verkleinerten Stempelfläche des expandierbaren Druckstempels zu einem Vorform­ teil abgelegt werden und anschließend das Vorformteil auf dem Druckstempel in das Preßformwerkzeug verbracht und durch Expan­ sion des Druckstempels in die endgültige Gestalt des Hohlprofils ver­ preßt und ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorformteil im Bereich der innenkonturseitigen Faserlagen durch eine im wesentlichen zentrische Streckung in die endgültige Gestalt des Hohlprofils verpreßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorformteil beim Verpressen außenkonturseitig an einer starren Formfläche des Preßformwerkzeugs abgestützt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Expansion des Druckstempels der Preßdruck zunächst an den mittleren Faserlagenabschnitten des Vorformteils und dann fortschrei­ tend zu den freien Faserlagenenden hin aufgebaut wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundmatrix beim Verpressen des Vorformteils in einem niedrigen Viskositätszustand gehalten wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, bestehend aus einem Preßformwerkzeug und einem expandierbaren Druckstempel, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (14, 16, 20) einen zentralen, in Vorschubrichtung am Preßformwerkzeug (4, 26) verschieblich geführten Spreizkeil (20) und zwei, durch diesen quer zur Vorschubrichtung auseinanderge­ drückte Stempelteile (14, 16) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spreizkeil (20) mit einer im expandierten Zustand des Druck­ stempels (14, 16, 20) den zwischen den beiden Stempelteilen (14, 16) liegenden Abschnitt der Hohlprofil-Innenkontur formgebenden Stirn­ fläche (38) versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die formgebenden Druckstempelflächen (34, 36, 38) im expandierten Zustand durch werkzeugfeste Anschläge (6, 32) fixiert sind.