DE69202206T2

DE69202206T2 - Verbundformwerkzeug.

Info

Publication number: DE69202206T2
Application number: DE69202206T
Authority: DE
Inventors: Gary J Jacaruso; Philip J Ramey
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-07-01
Filing date: 1992-06-18
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2012-06-19
Also published as: DE69202206D1; EP0521813B1; EP0521813A1; JPH05193025A; CA2069125A1; US5340423A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Verbundwerkstofformungswerkzeuge und mehr insbesondere auf ein Verfahren zum Herstellen von Verbundwerkstofformungswerkzeugen.

Stand der Technik

Formungswerkzeuge, die aus Verbundwerkstoffen hergestellt sind, haben mehrere Vorteile gegenüber Formungswerkzeugen, die aus traditionelleren Werkstoffen wie Holz oder Metallen hergestellt sind. Erstens, die Verbundwerkstofformungswerkzeuge sind leicht und sind einfacher handhabbar. Zweitens und wichtiger, die Verbundwerkstofformungswerkzeuge sorgen für eine Anpassung an die Wärmeausdehnung des Verbundgegenstands, der während des Hochtemperaturhärtezyklus produziert wird. Das verbessert die Abmessungsgenauigkeit der durch das Formungswerkzeug produzierten Gegenstände.
Die Fabrikation der Verbundwerkstofformungswerkzeuge kann ein zeitraubender und teuerer Prozeß sein. Das gegenwärtige Verfahren besteht darin, von dem zu produzierenden Gegenstand ein Hauptmodell aus Holz oder aus irgendeinem anderen formbaren Werkstoff zu erzeugen. Das Hauptmodell wird dann benutzt, um Arbeitsmodelle zu fabrizieren, die aus einem Verbundwerkstoff durch einen Zwischenprozeß hergestellt werden, der die Verwendung von Formungsspritzlingen beinhaltet, welche aus gießbarem Werkstoff bestehen, der in der Lage ist, die hohen Temperaturen auszuhalten, welche während des Härtungsprozesses erforderlich sind. Das Arbeitsmodell wird dann benutzt, um das Formungswerkzeug zu fabrizieren. Aufgrund der additiven Eigenschaft der Toleranzen, die in jedem Schritt vorkommen, wird die Abmessungsgenauigkeit des Verbundwerkstofformungswerkzeuges und deshalb des produzierten Gegenstands beträchtlich reduziert.
Ein alternatives Verfahren zum Fabrizieren von Verbundwerkstofformungswerkzeugen wurde von Kundinger et al in dem US-Patent Nr. 4 578 303 beschrieben. Dieses Verfahren beinhaltete die Verwendung eines Gittertraggebildes, das aus Verbundwerkstoffen bestand. Jede Rippe oder jeder Sockel wird auf die gewünschte Form zugeschnitten, und die Serie von Rippen erzeugt die für das Formungswerkzeug gewünschte konturierte Oberfläche. Mehrere Schichtstoffschichten werden über dem Traggebilde angeordnet und während des Härtens des Formungswerkzeuges mit dem Traggebilde verbunden. Diese Verfahren hat zwar Vorteile gegenüber dem oben beschriebenen gängigen Verfahren, es hat jedoch mehrere Nachteile, die seine Verwendung begrenzen. Der erste Nachteil ist der zeitintensive Prozeß des Zuschneidens jeder Tragrippe. Ein zweiter Nachteil ist das zusätzliche Gewicht aufgrund der Verwendung eines Gittertraggebildes. Darüber hinaus müßten zum Vermeiden von Einbuchtung der Schichtstoffschichten während des Härteprozesses die Rippen eng beabstandet sein, ein Merkmal, welches die Zahl der notwendigen Rippen verh vielfacht und dadurch das Gewicht des Werkzeuges erhöht.

Darstellung der Erfindung

Ein Ziel der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstofformungswerkstoffes.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verbundwerkstofforrnungswerkzeug, das benutzt wird, um einen Verbundgegenstand mit besserer Abmessungsgenauigkeit zu produzieren.
Noch ein weiteres Ziel ist ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstofformungswerkzeuges zu geringeren Kosten.
Gemäß der Erfindung wird ein Verbundwerkstofformungswerkzeug durch folgende Schritte hergestellt: erstens, Verbundwerkstoffsockel werden gemaß der Kontur des gewünschten Werkzeuges geformt; zweitens, Füllblöcke aus formbaren Material, deren Kon-
tur der der Sockel angepaßt ist, werden zwischen den Sockeln plaziert, um ein Traggebilde mit einer durchgehenden Oberfläche herzustellen; drittens, Schichten aus ungehärteten Verbundwerkstoff-Schichtstoffen werden auf die konturierten Oberflächen des Traggebildes aufgelegt schließlich, die Verbundwerkstoff-Schichtstoffe werden gehärtet. Auf diese Weise wird ein Traggebilde mit einer durchgehenden Oberflächenkontur hergestellt, die durch die Sockel festgelegt ist. Die Kontinuität der Tragoberfläche eliminiert die Möglichkeit einer Einbuchtung oder eines Kollabierens der Schichtstoffe in die Zwischenräume zwischen den Sockeln während des Härtens der Schichtstoffe.
Weiter kann gemäß der Erfindung das Formungswerkzeug vor dem Auflegen der Schichtstoffe zusätzlich konturiert werden, indem Abschnitte des formbaren Werkstoffes entfernt werden, um Hohlräume zu bilden, oder indem zusätzliches formbares Material auf der Oberfläche des Traggebildes befestigt wird, um Vorsprünge zu bilden.
Außerdem, wenn eine größere Abmessungsgenauigkeit notwendig ist, können die Schichtstoffe anschließend an das Härten bis zu der gewünschten Abmessungsgenauigkeit spanabhebend bearbeitet werden.
Die erforderliche Anzahl yon Sockeln, die von der Komplexität der gewünschten Form abhängig ist, wird durch die Verwendung der Füllblöcke als Abstützung während des Härteprozesses minimiert. Das Minimieren der Anzahl der Sockel minimiert dadurch das Gewicht des hergestellten Verbundwerkstoffwerkzeuges. Das Gewicht des Formungswerkzeuges kann weiter reduziert werden, indem die Füllblöcke nach dem Härten entfernt werden.
Ein vorgeschlagener Werkstoff für den formbaren Werkstoff ist Polystyrolschaumstoff. Dieser Werkstoff sorgt für ausreichende hauliche Abstützung für die Schichtstoffe während des Härtens und hat den zusätzlichen Vorteil, nach dem Härten durch Auflösen des Polystyrolschaumstoffes unter Verwendung von im Handel erhältlichen Lösungsmitteln leicht entfernbar zu sein.
Außerdem, das Konturierungsverfahren zum Anpassen der Polystyrolschaumstoffblöcke an die Form der Sockel kann mit Hilfe einer Heißdrahtkonturierung ausgeführt werden. Heißdrahtkonturierung bestehe darin, einen elektrisch Ieitfähigen Draht zwischen benachbarten Sockeln aufzuspannen, einen elektrischen Strom durch den Draht hindurchzuleiten, der ausreicht, um den Draht auf eine Temperatur zu erhitzen, die größer als die Schmelztemperatur des Polystyrolschaumstoffes ist, und die Sockel als eine Schablone zu benutzen, um den überschüssigen Polystyrolschaumstoff wegzuschneiden, wenn der Neizdraht über die konturierten Ränder der Sockel hinweggeht.
Das beschriebene Verfahren ist zwar zum Herstellen von Verbundwerkstofformungswerkzeugen besonders brauchbar, es sollte jedoch klar sein, daß die Erfindung gleichermaßen für jeden anderen Zweck geeignet ist, bei dem Verbundgebilde verlangt werden.
Die vorstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden ausführlichen Beschreibung der exemplarischen Ausführungsformen derselben deutlicher werden, welche in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Traggebildes vor dem Auflegen einer Schichtstoffschicht.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Verbundwerkstoffformungswerkzeuges vor dem Auflösen des Polystyrolschaumstoffes. Fig. 3 ist eine Schnittansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 2. Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Gemäß Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, besteht ein Traggebilde 8 aus mehreren Tragsockeln 10 und aus mehreren Füllblöcken 14 aus einem formbaren Werkstoff. Die Form des Traggebildes 8 ist von der gewünschten Form des herzustellenden Verbundgegenstands abhängig.
Die Herstellung des Traggebildes beinhaltet die folgenden Schritte. Erstens, die Sockel 10 werden aus vorgehärteten Platten aus Verbundwerkstoff hergestellt, die auf die gewünschte Formkontur zugeschnitten oder anderweitig an diese angepaßt werden. Der für die Sockel gewählte Verbundwerkstoff muß geeignet steif sein und darf nicht wärmeempfindlich sein. Ein zweckmäßiges Verfahren zum Konturieren der Sockel 10 besteht darin, die Platten aus Verbundwerkstoff gemäß Stationsschnitten zuzuschneiden, die Konstruktionsblaupausenentwurfsdaten des Verbundgegenstands entnommen werden. Die Dicke der Sockel 10 ist von der Größe des herzustellenden Verbundwerkstofformungswerkzeuges abhängig. Üblicherweise werden 1/4 Zoll dicke Platten aus Verbundwerkstoff bernutzt, um die Sockel zu bilden.
Die Sockel 10 werden in einer richtigen Anordnung ausgerichtet, um ein geripptes Traggebilde für das Verbundwerkstofformungswerkzeug zu bilden. Die Festlegung der Anzahl der erforderlichen Sockel und des richtigen Abstands zwischen benachbarten Sockeln hängt von der Komplexität der gewünschten Form und von der Länge des herzustellenden Werkzeuges ab. Ein vorgeschlagenes Verfahren zum Aufrechterhalten der richtigen Anordnung der Sockel 10 besteht darin, sie auf einem Unterteil 12 zu befestigen, wie es in Fig. l gezeigt ist. Es wird zwar die Verwendung eines Unterteils vorgeschlagen und gezeigt, irgendeine andere Methode kann jedoch benutzt werden, um die Sockel 10 auszurichten, zum Beispiel Verbinden der Sockel mit Hilfe einer Gewindestange.
Der Zweite Schritt besteht darin, die Füllblöcke 14 zwischen benachbarten Sockeln 10 zu positionieren und zu befestigen. Die Formgebung der Blöcke kann entweder vor der oder anschließend an die Positionierung der Blöcke zwischen den Sockeln erfolgen. Das Befestigen der Blöcke an den Sockeln 10 kann erreicht werden, indem die Blöcke 14 mit den Sockeln 10 verklebt werden oder indem eine Gewindestange durch die Sockel 10 und die Blöcke 14 hindurchgeführt wird oder durch irgendeine andere zweckmäßige Methode. Zusätzliche Formgebung wie das Erzeugen von Hohlräumen 20 durch Entfernen von Abschnitten der Blöcke oder das Erzeugen von Vorsprüngen 21 durch Befestigen von zusätzlichem Werkstoff an der Oberfläche kann vorgesehen werden, um Oberflächenmerkmale des Verbundgegenstand zu berücksichtigen. Die Blöcke 14 bilden in Verbindung mit den Sockeln 10 eine durchgehende Tragoberfläche für die anschließenden Schichtstoffschichten und werden ein Einbuchten oder Kollabieren der Schichtstoffe zwischen den Sockeln während des Härteprozesses verhindern.
Ein empfohlener Werkstoff für die Blöcke 14 ist Polystyrolschaumstoff, obgleich dem einschlägigen Fachmann klar sein dürfte, daß andere Werkstoffe ebenfalls verwendbar sind. Polystyrolschaumstoff hat die Vorteile, leicht zu sein, leicht geformt werden zu können, dicht genug zu sein, um die Drücke des Auflegens und Härtens auszuhalten, und, obgleich Polystyrolschaumstoff bei Kontakt mit den Harzen abgebaut wird, die den meisten ungehärteten Verbundwerkstoffen zugeordnet sind, ist der Abbau nicht beträchtlich genug, um bei dem Verfahren Probleme zu verursachen. Ein Nachteil von Polystyrolschaumstoff ist, daß der beträchtlicher abgebaut wird, wenn der während gewisser Hochtemperaturhärtevorgänge benutzt wird.
Ein vorgeschlagenes Verfahren zum Anpassen der Blöcke 14 an die Kontur der Sockel 10 ist die Heißdrahtkonturgebung, die insbesondere anwendbar ist, wenn Polystyrolschaumstoff als das in der Kontur anpaßbare Material für die Blöcke 14 benutzt wird. Bei dieser Prozedur wird ein elektrisch leitfähiger Draht zwischen benachbarten Sockeln 10 gespannt, und ein elektrischer Strom, dessen Stärke ausreicht, um die Temperatur des Drahtes auf eine Temperatur zu steigern, die größer als die Schmelztem-
peratur des Werkstoffes ist, der für die Blöcke 14 benutzt wird, wird durch den Draht hindurchgeleitet. Der Draht wird dann längs des konturierten Randes 15 der Sockel 10 bewegt, wobei überschüssiges Material der Blöcke 14 weggeschnitten wird. Auf diese Weise werden die konturierten Ränder 15 der Sockel als eine Schablone benutzt, und es wird eine mittlere Kontur von benachbarten Sockeln erzielt.
Ein alternatives Verfahren für die Formgebung der Blöcke besteht darin, überschüssiges Material wegzuschneiden und dann das verbleibende Material durch Sandstrahlen oder spanabhebendes Bearbeiten an die Kontur der Sockel anzupassen.
Der letzte Schritt besteht darin, Schichtstoffe 16 aus ungehärtetem Verbundwerkstoff direkt auf die konturierte Oberfläche 17 des Traggebildes 8 auf zulegen, wie es in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, und die Schichtstoffe 16 bei der notwendigen Temperatur für den für die Schichtstoffe 16 gewählten Werkstoff zu härten. Nachdem die Schichtstoffe 16 gehärtet worden sind, können die Blöcke 14 bei Bedarf entfernt werden, um das Gewicht des Verbundwerkstoffwerkzeuges zu reduzieren.
Eine Alternative zu dem letzten Schritt wird für komplexe Formen vorgeschlagen und besteht aus den folgenden Schritten. Erstens, Schichtstoffe 16 aus einem bei Raumtemperatur vulkanisierenden (room temperature vulcanizing oder RTV) Verbundwerkstoff werden direkt auf das Traggebilde 8 aufgelegt. Danach wird eine undurchlässige Membran (nicht dargestellt) über der gesamten Baugruppe plaziert, und des wird ein Vakuum aufgebaut, um die Schichtstoffe 16 an die Form des Traggebildes 8 anzupassen. Schließlich wird den Schichtstoffen 16 gestattet, bei Raumtemperatur zu härten, bis sie stabiliert sind, und dann wird das Vakuum abgebaut. Die Schichtstoffe 16 können dann bei Bedarf bei höheren Temperaturen nachgehärtet werden.
Wenn der alternative Schritt, der oben beschrieben ist, benutzt wird, können die Blöcke 14 anschließend an das Härten bei Raumtemperatur und vor dem Härten bei hoher Temperatur entfernt werden. Ein Vorteil der Verwendung von Polystyrolschaumstoff oder eines ähnlichen Werkstoffes als Werkstoff für die Blöcke ist, daß er entfernt werden kann, indem die Blöcke unter Verwendung von im Handel erhältlichen Lösungsmitteln aufgelöst werden. Das Entfernen der Blöcke vor dem Härten bei hoher Temperatur eliminiert die Möglichkeit, daß die Blöcke während des Härtens bei hoher Temperatur Wärmeableiter bilden.
Wenn mehr Präzision in dem hergestellten Verbundwerkstoffwerkzeug gewünscht ist, können die oberen Schichten der Schichtstoffe 16 anschließend an das Härten maschinell bearbeitet werden, um für zusätzliche Abmessungsgenauigkeit zu sorgen. Nach der maschinellen Bearbeitung der Oberfläche kann eine Schicht Gelüberzug auf die Oberfläche aufgebracht werden, um jegliche Unregelmäßigkeiten zu glätten.
Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben worden, dem Fachmann dürfte jedoch klar sein, daß verschiedene Änderungen, Auslassungen und Hinzufügungen in und an derselben vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffformungswerkzeuges, beinhaltend die Schritte:

(a) Herstellen von Tragsockeln aus geeignet steifem, nichtwärmeempfindlichem Verbundwerkstoff durch Anpassen der Form des Werkstoffes an die geeigneten Abmessungen;

(b) Befestigen von Füllblöcken aus formbaren Werkstoff zwischen benachbarten Sockeln, wobei die Blöcke so geformt werden, daß sie der Kontur der Sockel angepaßt sind, um eine durchgehende Traggebildeoberfläche zu bilden;

(c) Auflegen von Schichtstoffen aus Verbundwerkstoff auf das Traggebilde; und

(d) Härten der Schichtstoffe

2. Verfahren nach Anspruch l, wobei die Blöcke aus dem gehärteden Gebilde entfernt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verbundwerkstoffschichtstoff ein spanabhebend bearbeitbarer Werkstoff nach dem Härten ist und wobei der zusätzliche Schritt der spanabhebenden Bearbeitung der Oberfläche anschließend an das Härten ausgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die formbaren Blöcke zwischen den Sockeln durch Verbinden der formbaren Blöcke mit den Seiten der Sockel befestigt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die formbaren Blöcke zwischen den Sockeln durch die Verwendung einer Gewindestange befestigt werden, welche durch die Sockel und die formbaren Blöcke hindurchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Füllblöcke geformt werden durch:

(a) Spannen eines elektrisch leitfähigen Drahtes zwischen benachbarten Sockeln;

(b) Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch den Draht, wobei der elektrische Strom von ausreichender Stärke ist, um die Temperatur des Drahtes auf eine Temperatur zu erhöhen, die größer als die Schmelztemperatur der Blöcke ist; und

(c) Bewegen des Drahtes entlang der konturierten Ränder der Sockel.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Füllblöcke durch Wegschneiden des Überschusses und Anpassen des verbleibenden Füllblockwerkstoffes an die Kontur der Sockel durch Sandstrahlen oder spanabhebende Bearbeitung geformt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Abschnitte des Füllblockmaterials entfernt werden, bevor die Schichtstoffe aufgelegt werden, um Hohlräume zu bilden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlicher Füllblockwerkstoff auf der Oberfläche des Traggebildes befestigt wird, um Vorsprünge zu bilden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schichtstoffe aus bei Raumtemperatur vulkanisierendem Verbundwerkstoff bestehen, wobei die Füllblöcke aus Polystyrolschaumstoff bestehen und wobei die folgenden Schritte statt des Schrittes (d) ausgeführt werden:

(a) das Traggebilde und die Schichtstoffe werden in eine undurchlässige Membran eingehüllt, und es wird ein Vakuum benutzt, um die Schichtstoffe der Kontur des Traggebildes anzupassen;

(b) Härten der Schichtstoffe bei Raumtemperatur, bis sie stabilisiert sind; und

(c) der Polystyrolschaumstoff wird aus dem gehärteten Gebilde durch Auflösen des Polystyrolschaumstoffes mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Verbundwerkstoff-Schichtstoff ein spanabhebend bearbeitbarer Werkstoff nach dem Härten ist und wobei der zusätzliche Schritt der spanabhebenden Bearbeitung der Oberfläche anschließend an das Härten ausgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die formbaren Blöcke zwischen den Sockeln durch Verbinden der formbaren Blöcke mit den Seiten der Sockel befestigt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die formbaren Blöcke zwischen den Sockeln durch Verwendung einer durch die Sockel und die formbaren Blöcke hindurchgeführten Gewindestange befestigt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Füllblöcke geformt werden durch:

(a) Spannen eines elektrisch leitfähigen Drahtes zwischen benachbarten Sockeln; (b) Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch den Draht, wobei der elektrische Strom eine ausreichende Stärke hat, um die Temperatur des Drahtes auf eine Temperatur zu erhöhen, die größer als die Schmelztemperatur der Blöcke ist; und

(c) Bewegen des Drahtes längs der konturierten Ränder der Sockel.

15. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Füllblöcke durch Wegschneiden von jeglichem überschüssigen Füllblockwerkstoff und durch Sandstrahlen und spanabhebendes Bearbeiten des verbleibenden Füllblockwerstoffes zur Anpassung an die Kontur der Sockel geformt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Abschnitte des Füllblockwerkstoffes entfernt werden, bevor die Schichtstoffe aufgelegt werden, um Hohlräume zu bilden.

17. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zusätzlicher Füllblockwerkstoff an der Oberläche des Traggebildes befestigt wird, um Vorsprünge zu bilden.

18. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schichtstoffe anschließend an das Entfernen des Füllblockwerkstoffes weiter gehärtet werden.