WO2008067959A1 - Method for producing a form tool - Google Patents

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WO2008067959A1
WO2008067959A1 PCT/EP2007/010429 EP2007010429W WO2008067959A1 WO 2008067959 A1 WO2008067959 A1 WO 2008067959A1 EP 2007010429 W EP2007010429 W EP 2007010429W WO 2008067959 A1 WO2008067959 A1 WO 2008067959A1
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WO
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mold
layer
tool
fiber composite
wear
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PCT/EP2007/010429
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Steffen BÜRKNER
Dietrich P. Jonke
Martin Englhart
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Eads Deutschland Gmbh
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    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C70/088—Fibrous reinforcements only comprising combinations of different forms of fibrous reinforcements incorporated in matrix material, forming one or more layers, and with or without non-reinforced layers and with one or more layers of non-plastics material or non-specified material, e.g. supports
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    • B29C70/78—Moulding material on one side only of the preformed part
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2707/00—Use of elements other than metals for preformed parts, e.g. for inserts
    • B29K2707/04—Carbon

Definitions

  • the invention relates to the use of molds for the production of mold components and in particular the production of such molds, which serve for the production of fiber composite components.
  • the surface contour of a component made with a molding tool is determined by a corresponding molding surface of the molding tool. Wear phenomena on this mold surface of the tool thus inevitably lead to a deterioration in the quality of the manufactured components or to a production of rejects.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • CFRP Femis CFRP
  • CFRP tools have an average life of about 50 to 80 cycles. Even within this short lifetime, frequent repairs are necessary, i. H. the damaged areas are worked out and then filled with a special repair system. Then the surface has to be sanded and polished. The service life of the tool decreases with each repair.
  • this object is achieved by a method for producing a formed from a fiber composite mold with a wear protection layer on a mold surface of the mold, wherein the wear protection layer is first placed as a sheet or foil on a mold surface of a primary tool, which is used to form the Mold is provided from the fiber composite, and then transferred in the formation of the mold from the mold surface of the Urwerkzeugs on the mold surface of the mold.
  • a special feature of the invention is therefore that the wear protection layer is not built up directly at the place of their use, but separately.
  • This wear-resistant layer is "die-cut" from the master tool during the molding process in which the molding tool is manufactured.
  • the mold surfaces passing in contact with the material to be molded in the production process of the mold components can be provided in a simple manner by a "molding" with a wear protection layer. It can thus the wear resistance and life of molds, which are made of a fiber composite such as CFRP, be increased considerably. In a preferred embodiment, it is provided that the fiber composite is formed from CFRP. This has the particular advantage that the mold can be produced at low cost, with light weight and extremely dimensionally stable. With the invention, relatively large (for example greater than 1 square meter) molding surfaces "with integrated wear protection" can also be advantageously realized.
  • the mold is provided for the production of fiber composite components, in particular for the production of CFRP components.
  • a fiber composite material is a composite material which generally consists of two major components, namely a matrix and fibers embedded therein. By mutual interactions of these components, the material contains higher-quality properties than either of the two components involved individually.
  • a mold z. B. for compacting and / or curing (usually thermal curing) of a with a matrix material (eg resin) infiltrated fiber material can be used.
  • a matrix material eg resin
  • Damage can be avoided in a mold according to the invention, however, formed by the production formed in the wear protection layer, which prolongs the service life of the tool considerably.
  • CFRP components and a corresponding CFRP molding tool usually have a similar or similar resin system included.
  • the high chemical affinity of the resins in question leads to caking and chemical bonds among one another.
  • increased demolding forces are required, which can lead to mold damage as well as damage to the component.
  • this problem can be eliminated by the wear protection layer provided according to the invention.
  • the wear protection layer can, for. B. be a rather hard and / or for the particular mold component manufacturing process particularly favorable properties having "functional layer” (eg, with anti-adhesive effect for the matrix material of the mold to be produced fiber composite component).
  • "functional layer" eg, with anti-adhesive effect for the matrix material of the mold to be produced fiber composite component.
  • the wear protection layer is provided with an adhesion-promoting layer before and / or after placement.
  • such an adhesion-promoting layer for the wear-resistant layer is built up by thermal spraying.
  • the wear protection layer is applied as a metal sheet or film (eg of plastic or metal) to the mold surface of the primary tool and the wear protection layer is provided with an adhesion-promoting layer by thermal spraying before or after application.
  • thermal spraying refers to a surface coating technique in which a spray material in the form of thermal energy softened or melted particles on the surface to be coated is applied, wherein the applied particles solidify again on the surface and thus form a 1925material Mrs (adhesion promoting layer).
  • an energy source for supplying the softening or melting of the spray material can, for.
  • a fuel gas-oxygen flame an electric arc, a plasma jet or a laser beam are used.
  • suitable spray guns where the spray material z. B. in powder form or as a wire or rod is also known from the prior art and can thus be used advantageously within the scope of the invention.
  • a spray gun z. B. be charged with a powder which has a precisely set grain size distribution.
  • wire or rod flame spraying in which the sprayed material supplied as wire or rod is continuously melted in a fuel gas (eg acetylene) oxygen flame, with the aid of a nebulizer gas (eg compressed air or nitrogen) droplet-shaped spray particles are removed and spun onto the surface to be coated.
  • a fuel gas eg acetylene
  • a nebulizer gas eg compressed air or nitrogen
  • a powder flame spraying in which a powdered spray material in a fuel gas-oxygen flame on or melted and is thrown with the aid of the expanding combustion gases on the surface to be coated.
  • a Additional gas eg argon or nitrogen
  • argon or nitrogen can be used to accelerate the particles to the surface.
  • a high-speed flame spraying in which a continuous gas combustion with high pressures in a combustion chamber, in the central axis of a powdered spray material is supplied, whereby the spray particles are accelerated to very high speeds ,
  • This variant is often particularly advantageous for creating a particularly dense sprayed coating.
  • an arc spraying in which two wire-shaped spray materials are melted in an arc formed between the wire ends and spun on the surface to be coated by means of a Zerstäubergases.
  • This variant can be advantageously used in particular when using a metallic spray material.
  • the thermal spraying is carried out to build up the optionally provided adhesion-promoting layer with a metal or a metal alloy.
  • the wear protection layer and / or the optionally provided adhesion promoting layer is formed from an alloy of iron and nickel, the nickel content preferably being in the range from 30% to 40%, in particular is about 36%.
  • Such materials are z. B. as "Nickel 36", “Invar 36” and “Pernifer 36” sold commercially.
  • the last-mentioned metal alloys are relatively expensive and difficult to work, so that z. B. molds made directly from such metal alloys would be correspondingly expensive.
  • a dimensionally stable and inexpensive base material of the mold are combined with such a metal alloy as wear protection.
  • an adhesion-promoting layer is built up by thermal spraying
  • z. B. Nickel 36 a robot-guided spray gun as a powder or wire, depending on the required layer properties, are supplied.
  • similar similar materials such as by appropriate powder admixtures.
  • the adhesion-promoting layer is produced by a surface pretreatment of the wear-protection layer (before or after its placement on the primary tool).
  • the pretreatment of the surface can, for. B. include a mechanical processing (eg., Grinding, milling, etc.). Also, a blasting process, in particular sand blasting, comes as a mechanical pre-treatment into consideration.
  • the surface z. For example, be structured or roughened by means of a laser.
  • the wear protection layer (and / or the optionally provided adhesion promoting layer) has a coefficient of thermal expansion which differs at most slightly from that of the base material of the molding tool (fiber composite, in particular CFRP), preferably by less than 10% differentiates.
  • the thermal spraying is provided for the construction of the adhesion-promoting layer on the surface of the wear-resistant layer (this is usually sufficient Layer thicknesses in the range of less than 1 mm), it is advantageous if a pretreatment of this surface takes place beforehand, for example in order to improve the adhesion of the spray material.
  • the heat input during thermal spraying is generally relatively small, it may be advantageous to cool the surface during thermal spraying. In very sensitive areas o- at very high local coating rates can thus z. B. by targeted cooling critical temperatures and local overheating can be reliably avoided.
  • Such individual layers may differ in the spray material used and / or in the spray parameters selected (eg temperature of the injection molding material, spray rate, etc.).
  • a continuous change of the material and / or the material structure can take place between two adjacent individual layers of a thermally sprayed multilayer coating ("gradient layer").
  • a "molding coating" of CFRP molds can still be made during their production, so that CFRP surfaces can be protected against later wear and secondly can additionally be modified in an anti-adhesive (optional) manner To prevent caking of component resin in the production of CFRP components.
  • a metal foil or a metal sheet can be integrated into the surface of CFK molds in a particularly adhesive manner by one-sided coating by means of thermal spraying.
  • a permanent release layer on the back of the film or the sheet already be baked eg, fluoropolymer-based paint system).
  • FIG. 1 is a schematic side view of a "primitive tool" with wear protection film applied to a mold surface
  • FIG. 2 is a view corresponding to FIG. 1 after completion of a pretreatment of the wear protection film
  • FIG. 3 illustrates the forming process of a fiber composite by means of the primary tool of FIG. 2, FIG.
  • FIG. 5 is a schematic side view of a primary tool, which is provided with a release agent layer and thereon with a wear protection film on which an adhesion-promoting layer is built up by thermal spraying,
  • FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 5 after completion of the construction of the primer layer
  • Fig. 7 illustrates a forming process of a fiber composite by means of the primary tool of Fig. 6, and Fig. 8 shows the mold produced by the molding process, on the mold surface of which is the wear protection film transferred from the mold surface of the master tool.
  • FIGS. 1 to 4 illustrate the production of a mold 10, which is provided for the later production of CFRP components.
  • a "master model” or primary tool 20 eg made of CFRP, aluminum, steel or polyurethane material
  • a wear protection layer 18 is placed as a sheet or foil.
  • a thin adhesion-promoting layer 26 is produced by a surface pretreatment of the wear-protection layer 18.
  • the pretreatment comprises sandblasting, by which the adhesion-promoting layer 26 is formed as a roughened surface layer of the wear-resistant layer 18.
  • it may also be e.g. a PTFE film may be used to form the wear-resistant layer 18, the side of which faces away from the mold surface 22 is pretreated (e.g., etched) to form the primer layer 18.
  • Fig. 2 shows the result of the sand blast pretreatment.
  • the upper side of the wear protection layer 18 in FIG. 2 is roughened.
  • FIG. 3 shows how a fiber composite 10 * is then applied to the thus prepared surface of the primary tool 20.
  • a semi-finished textile product such as carbon fiber mats and then impregnated with a resin.
  • the fiber composite 10 ' is pressed against the shaping surface of the original structure. dells 20 pressed, thus compacted, and then cured (eg, thermal). This results in the mold 10th
  • the anti-wear layer 18 adheres to a mold surface 12' of the fiber composite 10 '.
  • the wear protection layer 18 initially provided on the master model 20 was transferred from the mold surface 22 of the master tool 20 to the mold surface 12 'of the tool 10 during the molding process for forming the mold 10. It has emerged a new mold surface 12.
  • the adhesion between the material of the wear protection layer 18 and the forming surface 22 is less than the adhesion to the CFK material of the mold 10 (or its resin system).
  • a finishing process (finishing process) of the mold surface 12 is considered (eg polishing).
  • the embodiment according to FIGS. 1 to 4 provides a molding or laminating process in which a wear protection layer is molded from a "master mold” by means of a laminate construction.
  • a particularly good adhesion of the separately produced wear protection layer to the composite material of the molding tool can be achieved.
  • the result is a mold with "integrated wear protection”.
  • the rear of the wear protection layer 18 provided as a sheet or foil is carried out on the primary tool 20 by means of a laminating technique (eg depositing a plurality of fiber material layers such as "prepreg layers”).
  • a laminating technique eg depositing a plurality of fiber material layers such as "prepreg layers”
  • "Tooling Prepreg” penetrates into the roughened functional layer 18 and forms an adhesive bond therewith by mechanical anchoring thereto.
  • the curing of the mold 10 produced as CFRP composite 10 'z. B. in an autoclave, whereupon the cured composite 10 'together with integrated wear protection layer 18 can be separated from the tool 20.
  • the mold 10 does not wear so quickly by the manufacturing cycles performed therewith or by mechanical injuries and damage by means of cleaning tools that are required to clean the mold surface 12 after each individual production cycle in the rule. Furthermore, the coating 18 protects the tool 10 from excessive chemical aging or degradation.
  • a property of the wear protection layer 18, which is certainly advantageous for practice, may be its high mechanical strength or hardness. Regardless of this, however, an anti-adhesive effect with respect to the material to be formed with the molding tool 10 (eg CFRP resin system) may play a major role for this "functional layer” 18.
  • the applied wear protection layer 18 can thus z.
  • a permanent separation layer in the manufacturing process of FIG. 1 to 4, z. B. be provided that the lower in Fig. 1 side of the wear protection layer 18 before placing on the Urwerkmaschine 20, and preferably also before the superficial pretreatment of the opposite (in the top.) Side, with a corresponding paint system (in particular stoving enamel) is provided.
  • a permanent separating layer may comprise, for example, fluoropolymers, particulate driers such as Mo, graphite, M0S2, hex-BN, etc.
  • the mold surface 12 is shown in the figures for the sake of simplicity as a simple curved surface, since the actual shape design has a secondary importance. In practice, the mold surface 12 is usually more or less complicated, in adaptation to the desired component contour designed. It forms the "negative image" of the desired contour of the component surface. Furthermore, for the sake of simplicity of illustration, only a plate-shaped molding tool 10 is shown here. In practice, such a mold 10 usually forms a mold half of a two-part molding tool, in which the impregnated fiber material is enclosed between the two mold halves and optionally pressurized (eg in an autoclave).
  • the body of the mold 10 consists of a cost-effectively produced CFRP fiber composite.
  • CFRP fiber composite As with previously z. B. from a robust iron-nickel alloy (eg., "Nickel 36") produced conventional molds is made possible by the described coating of the CFRP fiber composite industrial mass production of the corresponding CFRP components.
  • Such CFRP components can be advantageously used in particular as structural components in aircraft construction.
  • the mold surface 12 of the mold 10 described can have an area in the area of several square meters.
  • Figs. 5 to 8 illustrate a second embodiment of manufacturing a molding tool 10a formed by compacting and curing a fiber composite 10a 1 with a wear protection layer 18a forming a molding surface 12a of the tool 10a.
  • a primary tool 20a is first provided with a shaping surface 22a, on which again a wear protection layer 18a is applied as a sheet or foil.
  • the surface 22a of the primary tool 20a is provided with a release agent layer 24a prior to placement.
  • the surface 22a for this purpose was coated with a pasty release agent.
  • This layer also shows how a spray material 16a is subsequently applied by thermal spraying by means of a spray gun 14a to the upper side of the wear protection layer 18a (eg HVOF or electric arc wire spraying).
  • the spray material 16a resolidifying on the surface of the wear-resistant layer 18a forms an adhesion-promoting layer 26a shown in FIG.
  • the spray material 16a in particular metals or metal alloys such. B. "Nickel 36" use. Often it is favorable to roughen or microscopically structure the surface of the wear protection layer 18a before application of the spray material 16a (for example by blasting or lasering).
  • a metal alloy here: nickel 36 powder
  • the robot-guided thermal spray gun 14a It is often favorable if several layers of one or more spray materials are applied to the wear protection layer 18a by the thermal spraying. For example, an at least two-layer application of the additional material 16a can take place. In a lower in Fig. 6 single layer may be z. B. a layer with particularly good adhesion properties for wear protection layer 18a out, whereas an upper single layer as a later boundary layer to the mold out a particularly large adhesion to the fiber composite 10a 'accomplished.
  • FIG. 7 shows how the fiber composite 10a 1 is applied to the thus prepared surface of the primary tool 20a.
  • carbon fiber mats are placed and then impregnated with a resin.
  • the fiber composite 10a ' is pressed against the shaping surface 22a of the primary tool 20a, thus compacted, and then cured. The result is the mold 10a.
  • the anti-wear layer 18a adheres particularly well to the mold surface 12a' of the fiber composite 10a 'by means of the primer layer 26a.
  • the wear protection layer 18a initially provided on a master tool was transferred from the master tool to the tool during the molding process for forming the former 10a.
  • inserts such as. B. plastic films (eg etched PTFE films, temperature-resistant fluoropolymer films with anti-adhesive properties), metal foils (eg made of stainless steel), metal sheets, nonwovens (eg metal nonwovens or polymer nonwovens) etc. These inserts are firmly adhered to the mold surface by targeted, one-sided pretreatment, the pretreatment z. As an etching, a roughening and / or the construction of a primer layer by thermal spraying.
  • plastic films eg etched PTFE films, temperature-resistant fluoropolymer films with anti-adhesive properties
  • metal foils eg made of stainless steel
  • metal sheets eg made of stainless steel
  • nonwovens eg metal nonwovens or polymer nonwovens
  • Example The procedure when using a metal foil or a metal sheet as wear protection layer in a formed from a CFRP fiber composite mold for the production of CFRP components can be summarized so z.
  • Example as follows: First, for example, already coated on one side by means of thermal spraying metal foil or metal sheet is draped onto the master model. Optionally, it is possible to equip the later functional surface of the mold with an anti-adhesive functional layer. Due to the high stoving temperatures (eg greater than 350 ° C.) of such an anti-adhesive layer, it is expedient to apply the same before applying the spray-applied coating acting as adhesion promoter and before embedding it in the CFRP fiber composite.
  • high stoving temperatures eg greater than 350 ° C.
  • metal foils z. B. apply by deep drawing on more complex geometries of the mold surface concerned.
  • process-adapted, coated CFRP tools can be produced for release-agent-free and thus environmentally friendly production of molded components, in particular CFRP lightweight structures.
  • a mold surface coated with wear protection and / or anti-adhesive systems provides protection against injury during necessary cleaning work and facilitates such cleaning.
  • a surface protection for easily controlled geometries of the mold surface can be realized very well and with little effort by the embedding of single-sided pretreated foils or sheets.
  • liquid release agents may also be dispensed with. This also means a cost saving.
  • fluoropolymer-containing materials in powder form can be compounded into wettable powder, i. H. process with the spray gun by forming a combination of wear protection with integrated anti-adhesive action.

Abstract

The invention relates to the use of form tools for producing molded parts and especially to the production of corresponding form tools for producing fiber composite parts. The invention provides a method for producing a form tool (10), constituted of a fiber composite (10') and having a wear-resistant layer (18) on a form tool surface (12') of the form tool (10), said wear-resistant layer (18) being placed in the form of a sheet or foil onto a form surface (22) of a male mold (20) for forming the form tool (10) from the fiber composite (10'), and then, during production of the form tool (10), being transferred from the form surface (22) of the male mold (20) onto the form surface (12') of the form tool (10). The invention thus provides a simple method for substantially increasing the wear-resistance or the service life of form tools that are produced from a fiber composite (10') such as for example CFK.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Formwerkzeugs Method for producing a molding tool
Die Erfindung betrifft den Einsatz von Formwerkzeugen zur Herstellung von Formbauteilen und insbesondere die Herstellung solcher Formwerkzeuge, die zur Ferti- gung von Faserverbundbauteilen dienen.The invention relates to the use of molds for the production of mold components and in particular the production of such molds, which serve for the production of fiber composite components.
Für die industrielle Fertigung von Formbauteilen werden oftmals robuste Formwerkzeuge benötigt, die einer großen Anzahl von Fertigungszyklen widerstehen, um eine entsprechende Anzahl von Formbauteilen mit ein und demselben Werk- zeug fertigen zu können.For the industrial production of molded parts, robust forming tools are often required, which withstand a large number of production cycles in order to be able to produce a corresponding number of shaped components with one and the same tool.
Die Oberflächenkontur eines mit einem Formwerkzeug gefertigten Bauteils wird durch eine entsprechende Formoberfläche des Formwerkzeugs bestimmt. Verschleißerscheinungen an dieser Formoberfläche des Werkzeugs führen somit zwangsläufig zu einer Qualitätsverschlechterung der gefertigten Bauteile bzw. zu einer Fertigung von Ausschuss.The surface contour of a component made with a molding tool is determined by a corresponding molding surface of the molding tool. Wear phenomena on this mold surface of the tool thus inevitably lead to a deterioration in the quality of the manufactured components or to a production of rejects.
Beispielsweise werden zur Fertigung von CFK-Bauteilen (CFK = Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) dienende Formwerkzeuge vor ihrer Verwendung oftmals mit einem z. B. flüssigen Trennmittel beschichtet. Nach dem Entformen des CFK- Bauteils können, je nach Fertigungsmethode, eingebrannte Trennmittelrückstände an der Formoberfläche verbleiben, welche in der Regel durch scharfkantige Werkzeuge wie Schaber entfernt werden müssen. Dies bringt die Gefahr einer oberflächlichen Schädigung des Formwerkzeugs mit sich.For example, for the production of CFRP components (CFRP = carbon fiber reinforced plastic) serving molds before their use often with a z. B. coated liquid release agent. After removal of the CFRP component, depending on the manufacturing method, burned release agent residues may remain on the mold surface, which usually has to be removed by sharp-edged tools such as scrapers. This brings the risk of superficial damage to the mold with it.
Die Herstellung eines vergleichsweise robusten Formwerkzeugs, beispielsweise einer gefrästen Stahlform, ist mit beträchtlichen Kosten verbunden.The production of a comparatively robust mold, for example a milled steel mold, is associated with considerable costs.
Gemäß eines auf internen betrieblichen Kenntnissen der Anmelderin beruhenden Stands der Technik werden kostengünstigere Formwerkzeuge aus CFK hergestellt, die wiederum der Fertigung von CFK-Bauteilen dienen. Die eher geringe Verschleißfestigkeit solcher CFK-Werkzeuge ("CFK-Femis") behindert jedoch den produktionstechnischen Durchbruch der ansonsten den dehnungskompatiblen Stahlformen überlegenen CFK-Werkzeuge. Kostengünstigere Werkzeuge wären jedoch insbesondere bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen (z. B. lasttragenden CFK-Strukturen im Flugzeugbau) sehr interessant. Bislang werden derartige CFK-Werkzeuge nur im Prototypenbau und in Kleinstserien verwendet, da deren Standzeit sehr gering ist.According to a state of the art based on internal operational knowledge of the Applicant, less expensive molds are made of CFRP, which in turn serve to manufacture CFRP components. However, the rather low wear resistance of such CFRP tools ("CFRP Femis") hinders the production technology breakthrough of CFP tools, which are otherwise superior to the expansion-compatible steel molds. However, more cost-effective tools would be very interesting, especially in the production of fiber composite components (eg load-bearing CFRP structures in aircraft construction). So far, such CFRP tools are used only in prototyping and in very small series, as their life is very low.
Für den Einsatz bei größeren Serien fehlt im Moment als Voraussetzung eine verschleißfeste und robuste Formoberfläche. Die derzeit verwendeten CFK- Werkzeuge haben eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa 50 bis 80 Zyklen. Selbst innerhalb dieser kurzen Lebensdauer sind häufige Reparaturen nötig, d. h. die schadhaften Stellen werden ausgearbeitet und anschließend mit einem speziellen Reparatur-System aufgefüllt. Anschließend muss die Oberfläche geschliffen und poliert werden. Dabei nimmt die Standzeit des Werkzeugs mit jeder Reparatur ab.At the moment, a wear-resistant and robust mold surface is not required for use with larger series. The currently used CFRP tools have an average life of about 50 to 80 cycles. Even within this short lifetime, frequent repairs are necessary, i. H. the damaged areas are worked out and then filled with a special repair system. Then the surface has to be sanded and polished. The service life of the tool decreases with each repair.
Desweiteren erfordern diese CFK-Werkzeuge den Einsatz großer Mengen von flüssigen oder pasteusen Trennmitteln, die wiederum teilweise in einem eigenen Zyklus in die Formoberfläche "eingebrannt" werden müssen.Furthermore, these CFRP tools require the use of large quantities of liquid or paste-like release agents, which in turn have to be partially "burned" into the mold surface in their own cycle.
Aus diesem Grund werden für Serien mit höheren Stückzahlen fast nur noch Stahlvorrichtungen eingesetzt. Diese Stahlformen sind jedoch teuer und schon für kleinere Bauteile schwer und unhandlich.For this reason, almost only steel devices are used for series with higher quantities. However, these steel molds are expensive and even for smaller components heavy and unwieldy.
In der Luftfahrtindustrie werden die Formwerkzeuge zur Fertigung von Faserverbundbauteilen, insbesondere CFK-Bauteilen, jedoch immer größer und komplexer. Aus diesem Grund besteht ein zunehmendes Bedürfnis, geeignete Formwerkzeu- ge aus leichteren Materialien als den teuren Stählen herzustellen. Die prinzipiell einsetzbaren Formwerkzeuge aus CFK sind trotz aller ihrer Vorteile (z. B. geringes Gewicht, geringe Material- und Herstellungskosten, Verzugsfreiheit) zumeist nicht verschleißfest genug, um insbesondere zur Fertigung von großen Formbauteilen wirtschaftlich eingesetzt zu werden.In the aviation industry, however, the molds for the production of fiber composite components, in particular CFRP components, are becoming larger and more complex. For this reason, there is an increasing need to produce suitable molds from lighter materials than expensive steels. The principally usable CFK molding tools are, despite all their advantages (eg low Weight, low material and manufacturing costs, freedom from distortion) mostly not wear-resistant enough to be used economically especially for the production of large mold components.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, der Qualität und der Umweltverträglichkeit bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen, insbesondere von Strukturen aus faserverstärkten Kunststoffen, mit Hilfe von Formwerkzeugen zu unterstützen, welche aus einem Faserverbund gebildet sind.It is an object of the present invention to increase the economy, the quality and the environmental compatibility in the manufacture of fiber composite components, in particular structures of fiber reinforced plastics, to assist with the aid of molds, which are formed from a fiber composite.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines aus einem Faserverbund gebildeten Formwerkzeugs mit einer Verschleißschutzschicht an einer Formoberfläche des Formwerkzeugs gelöst, wobei die Verschleißschutzschicht zunächst als Blech oder Folie auf eine Formober- fläche eines Urwerkzeugs aufgelegt wird, welches zur Bildung des Formwerkzeugs aus dem Faserverbund vorgesehen ist, und dann bei der Bildung des Formwerkzeugs von der Formoberfläche des Urwerkzeugs auf die Formoberfläche des Formwerkzeugs übertragen wird.According to the present invention, this object is achieved by a method for producing a formed from a fiber composite mold with a wear protection layer on a mold surface of the mold, wherein the wear protection layer is first placed as a sheet or foil on a mold surface of a primary tool, which is used to form the Mold is provided from the fiber composite, and then transferred in the formation of the mold from the mold surface of the Urwerkzeugs on the mold surface of the mold.
Eine Besonderheit der Erfindung besteht also darin, dass die Verschleißschutzschicht nicht unmittelbar am Ort ihrer Verwendung aufgebaut wird, sondern separat davon. Diese Verschleißschutzschicht wird während des Formungsprozesses, bei welchem das Formwerkzeug hergestellt wird, vom Urwerkzeug "abgeformt bzw. ablaminiert".A special feature of the invention is therefore that the wear protection layer is not built up directly at the place of their use, but separately. This wear-resistant layer is "die-cut" from the master tool during the molding process in which the molding tool is manufactured.
Mit der Erfindung können die beim Fertigungsprozess der Formbauteile in Kontakt mit dem zu formenden Material tretenden Formoberflächen in einfacher Weise durch ein "Abformen" mit einer Verschleißschutzschicht versehen werden. Es kann damit die Verschleißbeständigkeit bzw. Lebensdauer von Formwerkzeugen, die aus einem Faserverbund wie beispielsweise CFK hergestellt sind, beträchtlich erhöht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Faserverbund aus CFK gebildet wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das Formwerkzeug zu geringen Kosten, mit leichtem Gewicht und äußerst formstabil hergestellt werden kann. Durch die Erfindung können vorteilhaft auch relativ großflächige (z. B. größer als 1 Quadratmeter) Formflächen "mit integriertem Verschleißschutz" realisiert werden.With the invention, the mold surfaces passing in contact with the material to be molded in the production process of the mold components can be provided in a simple manner by a "molding" with a wear protection layer. It can thus the wear resistance and life of molds, which are made of a fiber composite such as CFRP, be increased considerably. In a preferred embodiment, it is provided that the fiber composite is formed from CFRP. This has the particular advantage that the mold can be produced at low cost, with light weight and extremely dimensionally stable. With the invention, relatively large (for example greater than 1 square meter) molding surfaces "with integrated wear protection" can also be advantageously realized.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Formwerkzeug zur Fertigung von Faserverbundbauteilen, insbesondere zur Fertigung von CFK-Bauteilen, vorgesehen.In a preferred embodiment, the mold is provided for the production of fiber composite components, in particular for the production of CFRP components.
Faserverbundbauteile sind in vielen Anwendungsbereichen vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) interessant. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten enthält der Werkstoff höherwertige Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten. Bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen kann ein Formwerkzeug z. B. zum Kompaktieren und/oder Aushärten (zumeist thermisches Aushärten) eines mit einem Matrixmaterial (z. B. Harz) infiltrierten Fasermaterials eingesetzt werden. Bei einem solchen Formwerkzeug können schadhafte Stellen in der Formoberfläche insbesondere bei der mechanischen Reinigung durch die Anwendung von Schabern, Spachteln oder anderen scharfkantigen Werkzeugen zum Entfernen von Matrixmaterial und eingebrannten Trennmittelrückständen entstehen. SolcheFiber composite components are interesting in many applications, above all because of their high specific strength (ratio of strength to weight). A fiber composite material is a composite material which generally consists of two major components, namely a matrix and fibers embedded therein. By mutual interactions of these components, the material contains higher-quality properties than either of the two components involved individually. In the manufacture of fiber composite components, a mold z. B. for compacting and / or curing (usually thermal curing) of a with a matrix material (eg resin) infiltrated fiber material can be used. In such a mold, defective areas in the mold surface, in particular in the mechanical cleaning by the application of scrapers, spatulas or other sharp-edged tools for removing matrix material and burned release agent residues may arise. Such
Schäden können bei einem erfindungsgemäß hergestellten Formwerkzeug jedoch durch die im Rahmen der Herstellung ausgebildete Verschleißschutzschicht vermieden werden, was die Standzeit des Werkzeugs beträchtlich verlängert.Damage can be avoided in a mold according to the invention, however, formed by the production formed in the wear protection layer, which prolongs the service life of the tool considerably.
In diesem Zusammenhang ist auch zu bedenken, dass CFK-Bauteile und ein korrespondierendes CFK-Formwerkzeug (Femi) in der Regel ein artgleiches bzw. ähnliches Harzsystem enthalten. Bei einer ungeschützten Formoberfläche des Werkzeugs führt die hohe chemische Affinität der betreffenden Harze untereinander zu Anbackungen und chemischen Bindungen. Hierdurch werden erhöhte Ent- formungskräfte erforderlich, die zu Formbeschädigungen als auch zu Bauteilbe- Schädigungen führen können. Daraus resultierend entstehen zusätzlich hohe Reinigungskosten und hoher Flächenabtrag sowie unerwünschte geometrische Veränderungen durch zyklisch wiederkehrendes Überarbeiten bzw. Entfernen der Harzrückstände. Durch die erfindungsgemäß bereitgestellte Verschleißschutzschicht kann diese Problematik jedoch beseitigt werden.In this context, it should also be considered that CFRP components and a corresponding CFRP molding tool (Femi) usually have a similar or similar resin system included. In the case of an unprotected mold surface of the tool, the high chemical affinity of the resins in question leads to caking and chemical bonds among one another. As a result, increased demolding forces are required, which can lead to mold damage as well as damage to the component. This results in additional high cleaning costs and high surface removal and unwanted geometric changes by cyclically recurring revising or removing the resin residues. However, this problem can be eliminated by the wear protection layer provided according to the invention.
Die Verschleißschutzschicht kann z. B. eine eher harte und/oder für den betreffenden Formbauteil-Fertigungsprozess besonders günstige Eigenschaften aufweisende "Funktionsschicht" sein (z. B. mit anti-adhäsiver Wirkung für das Matrixmaterial eines mit dem Formwerkzeug zu fertigenden Faserverbundbauteils). Durch die Verwendung fluorpolymerhaltiger Materialien kann beispielsweise eine trenn- mittelfreie Fertigung von CFK-Leichtbaustrukturen realisiert werden.The wear protection layer can, for. B. be a rather hard and / or for the particular mold component manufacturing process particularly favorable properties having "functional layer" (eg, with anti-adhesive effect for the matrix material of the mold to be produced fiber composite component). By using fluoropolymer-containing materials, for example, a separation-free production of lightweight CFRP structures can be realized.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht, vor und/oder nach dem Auflegen, mit einer Haftvermittlungsschicht versehen wird.In one embodiment, it is provided that the wear protection layer is provided with an adhesion-promoting layer before and / or after placement.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine solche Haftvermittlungsschicht für die Verschleißschutzschicht durch ein thermisches Spritzen aufgebaut wird. Bei dieser Weiterbildung ist demnach vorgesehen, dass die Verschleißschutzschicht als Blech oder Folie (z. B. aus Kunststoff oder Metall) auf die Formoberfläche des Urwerkzeugs aufgelegt wird und die Verschleißschutzschicht, vor oder nach dem Auflegen, durch thermisches Spritzen mit einer Haftvermittlungsschicht versehen wird.In a development, it is provided that such an adhesion-promoting layer for the wear-resistant layer is built up by thermal spraying. In this development, it is accordingly provided that the wear protection layer is applied as a metal sheet or film (eg of plastic or metal) to the mold surface of the primary tool and the wear protection layer is provided with an adhesion-promoting layer by thermal spraying before or after application.
Der Begriff "thermisches Spritzen" bezeichnet hierbei eine Oberflächenbeschich- tungstechnik, bei welcher ein Spritzmaterial in Form von durch thermische Energie erweichten oder geschmolzenen Partikeln auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht wird, wobei die aufgebrachten Partikel sich an der Oberfläche wieder verfestigen und somit eine Zusatzmaterialschicht (Haftvermittlungsschicht) ausbilden.The term "thermal spraying" refers to a surface coating technique in which a spray material in the form of thermal energy softened or melted particles on the surface to be coated is applied, wherein the applied particles solidify again on the surface and thus form a Zusatzmaterialschicht (adhesion promoting layer).
Für das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren im Rahmen der Herstellung des Formwerkzeugs kommen prinzipiell alle an sich bekannten thermischen Spritzverfahren in Betracht.For the coating method according to the invention in the context of the production of the mold, in principle all known thermal spraying methods are possible.
Als Energieträger zur Zufuhr der zum Erweichen bzw. Aufschmelzen des Spritz- materials kann z. B. eine Brenngas-Sauerstoff-Flamme, ein elektrischer Lichtbogen, ein Plasmastrahl oder ein Laserstrahl dienen.As an energy source for supplying the softening or melting of the spray material can, for. As a fuel gas-oxygen flame, an electric arc, a plasma jet or a laser beam are used.
Für den thermischen Spritzprozess geeignete Spritzpistolen, denen das Spritzmaterial z. B. in Pulverform oder als Draht bzw. Stab zugeführt wird, sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und können somit vorteilhaft im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden. Im Hinblick auf optimierte Eigenschaften der thermisch aufgespritzten Beschichtung kann eine solche Spritzpistole z. B. mit einem Pulver beschickt werden, welches eine präzise eingestellte Korngrößenverteilung besitzt.For the thermal spraying process suitable spray guns, where the spray material z. B. in powder form or as a wire or rod is also known from the prior art and can thus be used advantageously within the scope of the invention. With regard to optimized properties of the thermally sprayed coating, such a spray gun z. B. be charged with a powder which has a precisely set grain size distribution.
In einer Ausführungsform ist ein Draht- oder Stabflammspritzen vorgesehen, bei welchem das als Draht bzw. Stab zugeführte Spritzmaterial in einer Brenngas (z. B. Acetylen)-Sauerstoff-Flamme kontinuierlich aufgeschmolzen wird, wobei mit Hilfe eines Zerstäubergases (z. B. Druckluft oder Stickstoff) tröpfchenförmige Spritzpartikel abgelöst und auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert werden.In one embodiment, wire or rod flame spraying is provided in which the sprayed material supplied as wire or rod is continuously melted in a fuel gas (eg acetylene) oxygen flame, with the aid of a nebulizer gas (eg compressed air or nitrogen) droplet-shaped spray particles are removed and spun onto the surface to be coated.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Pulverflammspritzen vorgesehen, bei welchem ein pulverförmiges Spritzmaterial in einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme an- oder aufgeschmolzen und mit Hilfe der expandierenden Verbrennungsgase auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert wird. Gegebenenfalls kann ein zusätzliches Gas (z. B. Argon oder Stickstoff) zur Beschleunigung der Partikel auf die Oberfläche verwendet werden.In another embodiment, a powder flame spraying is provided, in which a powdered spray material in a fuel gas-oxygen flame on or melted and is thrown with the aid of the expanding combustion gases on the surface to be coated. If necessary, a Additional gas (eg argon or nitrogen) can be used to accelerate the particles to the surface.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ("HVOF") vorgesehen, bei welchem eine kontinuierliche Gasverbrennung mit hohen Drücken in einer Brennkammer erfolgt, in deren zentraler Achse ein pulver- förmiges Spritzmaterial zugeführt wird, wodurch die Spritzpartikel auf besonders hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Diese Variante ist insbesondere zur Schaffung einer besonders dichten Spritzschicht oftmals besonders vorteilhaft.In another embodiment, a high-speed flame spraying ("HVOF") is provided in which a continuous gas combustion with high pressures in a combustion chamber, in the central axis of a powdered spray material is supplied, whereby the spray particles are accelerated to very high speeds , This variant is often particularly advantageous for creating a particularly dense sprayed coating.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Lichtbogenspritzen vorgesehen, bei welchem zwei drahtförmige Spritzmaterialien in einem zwischen den Drahtenden ausgebildeten Lichtbogen abgeschmolzen und mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert werden. Diese Variante ist insbe- sondere bei Verwendung eines metallischen Spritzmaterials vorteilhaft einsetzbar.In another embodiment, an arc spraying is provided in which two wire-shaped spray materials are melted in an arc formed between the wire ends and spun on the surface to be coated by means of a Zerstäubergases. This variant can be advantageously used in particular when using a metallic spray material.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das thermische Spritzen zum Aufbau der gegebenenfalls vorgesehenen Haftvermittlungsschicht mit einem Metall oder einer Metalllegierung durchgeführt wird.In one embodiment, it is provided that the thermal spraying is carried out to build up the optionally provided adhesion-promoting layer with a metal or a metal alloy.
In einer spezielleren, insbesondere für Formwerkzeuge zur Fertigung von CFK- Bauteilen besonders interessanten Ausführungsform ist die Verschleißschutzschicht und/oder die gegebenenfalls vorgesehene Haftvermittlungsschicht aus einer Legierung von Eisen und Nickel gebildet, wobei der Nickelanteil bevorzugt im Bereich von 30 % bis 40 % liegt, insbesondere etwa 36 % beträgt. Derartige Werkstoffe werden z. B. als "Nickel 36", "Invar 36" und "Pernifer 36" kommerziell vertrieben.In a more specific embodiment particularly interesting for molds for manufacturing CFRP components, the wear protection layer and / or the optionally provided adhesion promoting layer is formed from an alloy of iron and nickel, the nickel content preferably being in the range from 30% to 40%, in particular is about 36%. Such materials are z. B. as "Nickel 36", "Invar 36" and "Pernifer 36" sold commercially.
Insbesondere die zuletzt genannten Metalllegierungen sind relativ teuer und schlecht bearbeitbar, so dass z. B. unmittelbar aus solchen Metalllegierungen hergestellte Formwerkzeuge entsprechend teuer wären. Mit der Erfindung kann je- doch ein formstabiles und kostengünstiges Grundmaterial des Formwerkzeugs (Faserverbund) mit einer solchen Metalllegierung als Verschleißschutz kombiniert werden.In particular, the last-mentioned metal alloys are relatively expensive and difficult to work, so that z. B. molds made directly from such metal alloys would be correspondingly expensive. With the invention but a dimensionally stable and inexpensive base material of the mold (fiber composite) are combined with such a metal alloy as wear protection.
Falls eine Haftvermittlungsschicht durch ein thermisches Spritzen aufgebaut wird, kann z. B. Nickel 36 einer robotergeführten Spritzpistole als Pulver oder Draht, je nach geforderten Schichteigenschaften, zugeführt werden. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, ähnliche artgleiche Werkstoffe zu applizieren, etwa durch entsprechende Pulverbeimischungen. Durch geeignete Wahl des oder der Spritz- materialien sowie der verwendeten Spritzmethode lassen sich besonders haftfeste Oberflächenbeschichtungen platzieren.If an adhesion-promoting layer is built up by thermal spraying, z. B. Nickel 36 a robot-guided spray gun as a powder or wire, depending on the required layer properties, are supplied. In addition, it is also possible to apply similar similar materials, such as by appropriate powder admixtures. By suitable choice of the spray material (s) and the spraying method used, particularly adherent surface coatings can be placed.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Haftvermittlungsschicht durch eine oberflächliche Vorbehandlung der Verschleißschutzschicht er- zeugt wird (vor oder nach deren Auflegen auf das Urwerkzeug).In another embodiment, it is provided that the adhesion-promoting layer is produced by a surface pretreatment of the wear-protection layer (before or after its placement on the primary tool).
Die Vorbehandlung der Oberfläche kann z. B. eine mechanische Bearbeitung umfassen (z. B. Schleifen, Fräsen etc.). Auch ein Strahlprozess, insbesondere ein Sandstrahlen, kommt als mechanische Vorbehandlung in Betracht. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche z. B. mittels eines Lasers strukturiert bzw. aufge- raut werden.The pretreatment of the surface can, for. B. include a mechanical processing (eg., Grinding, milling, etc.). Also, a blasting process, in particular sand blasting, comes as a mechanical pre-treatment into consideration. Alternatively or additionally, the surface z. For example, be structured or roughened by means of a laser.
Für alle Ausführungsformen ganz allgemein ist es von Vorteil, wenn die Verschleißschutzschicht (und/oder die gegebenenfalls vorgesehene Haftvermittlungs- schicht) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich allenfalls geringfügig von demjenigen des Grundmaterials des Formwerkzeugs (Faserverbund, insbesondere CFK) unterscheidet, bevorzugt um weniger als 10 % unterscheidet.For all embodiments in general it is advantageous if the wear protection layer (and / or the optionally provided adhesion promoting layer) has a coefficient of thermal expansion which differs at most slightly from that of the base material of the molding tool (fiber composite, in particular CFRP), preferably by less than 10% differentiates.
Falls das thermische Spritzen zum Aufbau der Haftvermittlungsschicht auf der Oberfläche der Verschleißschutzschicht vorgesehen ist (hierzu genügen zumeist Schichtdicken im Bereich von weniger als 1 mm), so ist es vorteilhaft, wenn zuvor eine Vorbehandlung dieser Oberfläche erfolgt, beispielsweise um damit die Haftung des Spritzmaterials zu verbessern.If the thermal spraying is provided for the construction of the adhesion-promoting layer on the surface of the wear-resistant layer (this is usually sufficient Layer thicknesses in the range of less than 1 mm), it is advantageous if a pretreatment of this surface takes place beforehand, for example in order to improve the adhesion of the spray material.
Wenngleich der Wärmeeintrag beim thermischen Spritzen im Allgemeinen relativ klein ist, so kann es unter Umständen vorteilhaft sein, wenn die Oberfläche während des thermischen Spritzens gekühlt wird. In sehr empfindlichen Bereichen o- der bei sehr hohen lokalen Beschichtungsraten können damit z. B. durch gezieltes Kühlen kritische Temperaturen und lokale Überhitzungen zuverlässig vermieden werden.Although the heat input during thermal spraying is generally relatively small, it may be advantageous to cool the surface during thermal spraying. In very sensitive areas o- at very high local coating rates can thus z. B. by targeted cooling critical temperatures and local overheating can be reliably avoided.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch thermisches Spritzen mehrere Schichten eines oder mehrerer Spritzmaterialien auf die betreffende Oberfläche (der Verschleißschutzschicht) aufgebracht werden.In one embodiment, it is provided that several layers of one or more spray materials are applied to the relevant surface (the wear protection layer) by thermal spraying.
Solche Einzelschichten können sich im verwendeten Spritzmaterial und/oder in den gewählten Spritzparametern (z. B. Temperatur des Spritzgutes, Spritzrate etc.) unterscheiden. Gegebenenfalls kann zwischen zwei benachbarten Einzelschichten einer thermisch aufgespritzten mehrlagigen Beschichtung auch ein kon- tinuierlicher Wechsel des Materials und/oder der Materialstruktur erfolgen ("Gradientenschicht").Such individual layers may differ in the spray material used and / or in the spray parameters selected (eg temperature of the injection molding material, spray rate, etc.). Optionally, a continuous change of the material and / or the material structure can take place between two adjacent individual layers of a thermally sprayed multilayer coating ("gradient layer").
Zusammenfassend kann mit der Erfindung eine "abformende Beschichtung" von CFK-Formwerkzeugen noch während ihrer Herstellung erfolgen, so dass CFK- Oberflächen zum einen vor späterem Verschleiß geschützt werden können und zum anderen noch zusätzlich anti-adhäsiv modifiziert werden können (optional), um ein Anbacken von Bauteilharz bei der Fertigung von CFK-Bauteilen zu verhindern. Beispielsweise kann eine Metallfolie oder ein Metallblech durch einseitige Beschichtung mittels thermischen Spritzen besonders haftfest in die Oberfläche von CFK-Formwerkzeugen integriert werden. Vor dem einseitigen Auftrag der Haftvermittlungsschicht mittels thermisch Spritzen (oder der oberflächlichen Vor- behandlung) kann eine Permanent-Trennschicht auf der Rückseite der Folie bzw. des Blechs bereits eingebrannt sein (z. B. Lacksystem auf Fluorpolymer-Basis).In summary, with the invention, a "molding coating" of CFRP molds can still be made during their production, so that CFRP surfaces can be protected against later wear and secondly can additionally be modified in an anti-adhesive (optional) manner To prevent caking of component resin in the production of CFRP components. For example, a metal foil or a metal sheet can be integrated into the surface of CFK molds in a particularly adhesive manner by one-sided coating by means of thermal spraying. Before the one-sided application of the adhesion-promoting layer by means of thermal spraying (or the superficial Treatment), a permanent release layer on the back of the film or the sheet already be baked (eg, fluoropolymer-based paint system).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:The invention will be further described by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. They each represent schematically:
Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines "Urwerkzeugs" mit an einer Formoberfläche aufgelegter Verschleißschutzfolie,1 is a schematic side view of a "primitive tool" with wear protection film applied to a mold surface;
Fig. 2 ist eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht nach Abschluss einer Vorbehandlung der Verschleißschutzfolie,FIG. 2 is a view corresponding to FIG. 1 after completion of a pretreatment of the wear protection film, FIG.
Fig. 3 veranschaulicht den Formungsprozess eines Faserverbunds mittels des Urwerkzeugs von Fig. 2,3 illustrates the forming process of a fiber composite by means of the primary tool of FIG. 2, FIG.
Fig. 4 veranschaulicht den Abschluss des Formungsprozesses und die hierbei erfolgte Übertragung der Verschleißschutzfolie vom Urwerkzeug auf das Werkzeug,4 illustrates the completion of the molding process and the transfer of the wear protection film from the primary tool to the tool,
Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht eines Urwerkzeugs, welches mit einer Trennmittelschicht und darauf mit einer Verschleißschutzfolie versehen ist, auf welcher durch thermisches Spritzen eine Haftvermittlungsschicht aufgebaut wird,5 is a schematic side view of a primary tool, which is provided with a release agent layer and thereon with a wear protection film on which an adhesion-promoting layer is built up by thermal spraying,
Fig. 6 ist eine der Fig. 5 entsprechende Ansicht nach Abschluss des Aufbaus der Haftvermittlungsschicht,FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 5 after completion of the construction of the primer layer, FIG.
Fig. 7 veranschaulicht einen Formungsprozess eines Faserverbunds mittels des Urwerkzeugs von Fig. 6, und Fig. 8 zeigt das durch den Formungsprozess hergestellte Formwerkzeug, auf dessen Formoberfläche sich die von der Formoberfläche des Urwerkzeugs übertragene Verschleißschutzfolie befindet.Fig. 7 illustrates a forming process of a fiber composite by means of the primary tool of Fig. 6, and Fig. 8 shows the mold produced by the molding process, on the mold surface of which is the wear protection film transferred from the mold surface of the master tool.
Die Fig. 1 bis 4 veranschaulichen die Herstellung eines Formwerkzeugs 10, welches zur späteren Fertigung von CFK-Bauteilen vorgesehen ist.FIGS. 1 to 4 illustrate the production of a mold 10, which is provided for the later production of CFRP components.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird bei diesem Herstellungsverfahren zunächst ein "Urmodell" bzw. Urwerkzeug 20 (z. B. aus CFK, Aluminium, Stahl oder Polyu- rethanwerkstoff) bereitgestellt, welches eine formgebende Oberfläche 22 besitzt. Auf diese Formoberfläche 22 wird eine Verschleißschutzschicht 18 (für das später gebildete Formwerkzeug 10) als Blech oder Folie aufgelegt.As shown in Fig. 1, in this manufacturing method, first, a "master model" or primary tool 20 (eg made of CFRP, aluminum, steel or polyurethane material) is provided, which has a shaping surface 22. On this mold surface 22, a wear protection layer 18 (for the later-formed mold 10) is placed as a sheet or foil.
Vor und/oder nach dem Auflegen der Verschleißschutzschicht 18 wird durch eine oberflächliche Vorbehandlung der Verschleißschutzschicht 18 eine dünne Haftvermittlungsschicht 26 erzeugt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorbehandlung ein Sandstrahlen, durch welches die Haftvermittlungsschicht 26 als aufgeraute Oberflächenschicht der Verschleißschutzschicht 18 ausgebildet wird. Alternativ kann aber auch z.B. eine PTFE-Folie zur Bildung der Verschleiß- Schutzschicht 18 verwendet werden, deren von der Formoberfläche 22 wegweisende Seite vorbehandelt (z.B. geätzt) ist, wodurch die Haftvermittlungsschicht 18 gebildet wird.Before and / or after the application of the wear protection layer 18, a thin adhesion-promoting layer 26 is produced by a surface pretreatment of the wear-protection layer 18. In the illustrated embodiment, the pretreatment comprises sandblasting, by which the adhesion-promoting layer 26 is formed as a roughened surface layer of the wear-resistant layer 18. Alternatively, however, it may also be e.g. a PTFE film may be used to form the wear-resistant layer 18, the side of which faces away from the mold surface 22 is pretreated (e.g., etched) to form the primer layer 18.
Fig. 2 zeigt das Ergebnis der Sandstrahlvorbehandlung. Die in Fig. 2 obere Seite der Verschleißschutzschicht 18 ist aufgeraut.Fig. 2 shows the result of the sand blast pretreatment. The upper side of the wear protection layer 18 in FIG. 2 is roughened.
Fig. 3 zeigt, wie sodann auf die so präparierte Oberfläche des Urwerkzeugs 20 ein Faserverbund 10* aufgebracht wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierbei ein textiles Halbzeug wie z. B. Kohlenstofffasermatten aufgelegt und an- schließend mit einem Harz imprägniert. Wie es durch die Pfeile in Fig. 3 symbolisiert ist, wird der Faserverbund 10' gegen die formgebende Oberfläche des Urmo- dells 20 gedrückt, somit kompaktiert, und anschließend ausgehärtet (z. B. thermisch). Damit entsteht das Formwerkzeug 10.FIG. 3 shows how a fiber composite 10 * is then applied to the thus prepared surface of the primary tool 20. In the illustrated embodiment, a semi-finished textile product such. As carbon fiber mats and then impregnated with a resin. As symbolized by the arrows in FIG. 3, the fiber composite 10 'is pressed against the shaping surface of the original structure. dells 20 pressed, thus compacted, and then cured (eg, thermal). This results in the mold 10th
Wenn das Urformwerkzeug 20 wieder geöffnet wird, um das CFK-Laminat 10' zu Entformen, was in Fig. 4 veranschaulicht ist, haftet die Verschleißschutzschicht 18 an einer Formoberfläche 12' des Faserverbunds 10'. Mit anderen Worten wurde die zunächst am Urmodell 20 bereitgestellte (aufgelegte) Verschleißschutzschicht 18 während des Formungsprozesses zur Bildung des Formwerkzeugs 10 von der Formoberfläche 22 des Urwerkzeugs 20 auf die Formoberfläche 12' des Werk- zeugs 10 transferiert. Es ist eine neue Formoberfläche 12 entstanden.When the master mold 20 is reopened to demould the CFRP laminate 10 ', which is illustrated in FIG. 4, the anti-wear layer 18 adheres to a mold surface 12' of the fiber composite 10 '. In other words, the wear protection layer 18 initially provided on the master model 20 was transferred from the mold surface 22 of the master tool 20 to the mold surface 12 'of the tool 10 during the molding process for forming the mold 10. It has emerged a new mold surface 12.
Für diese Übertragung der separat gebildeten Verschleißschutzschicht 18 ist wesentlich, dass die Adhäsion zwischen dem Material der Verschleißschutzschicht 18 und der formgebenden Oberfläche 22 geringer als die Adhäsion zum CFK- Material des Formwerkzeugs 10 (bzw. dessen Harzsystem) ist. Optional kommt eine Nachbearbeitung (Finishing-Prozess) der Formoberfläche 12 in Betracht (z. B. Polieren).For this transfer of the separately formed wear protection layer 18 is essential that the adhesion between the material of the wear protection layer 18 and the forming surface 22 is less than the adhesion to the CFK material of the mold 10 (or its resin system). Optionally, a finishing process (finishing process) of the mold surface 12 is considered (eg polishing).
Zusammenfassend wird mit der Ausführung gemäß der Fig. 1 bis 4 ein abformen- des bzw. ablaminierendes Verfahren bereitgestellt, bei welchem eine Verschleißschutzschicht von einer "Master-Form" durch Hinterbau mittels eines Laminat- Aufbaus abgeformt wird. Hierbei kann eine besonders gute Haftung der separat gefertigten Verschleißschutzschicht zum Verbundwerkstoff des Formwerkzeugs erzielt werden. Es entsteht ein Formwerkzeug mit "integriertem Verschleißschutz".In summary, the embodiment according to FIGS. 1 to 4 provides a molding or laminating process in which a wear protection layer is molded from a "master mold" by means of a laminate construction. In this case, a particularly good adhesion of the separately produced wear protection layer to the composite material of the molding tool can be achieved. The result is a mold with "integrated wear protection".
Bei dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 1 bis 4 erfolgt der Hinterbau der als Blech oder Folie bereitgestellten Verschleißschutzschicht 18 auf dem Urwerkzeug 20 mittels Laminiertechnik (z. B. Ablegen mehrerer Faserwerkstofflagen wie "Prepreg-Lagen"). Während des Aushärtezyklus dringt flüssiges Harz ("Tooling Prepreg") in die aufgeraute Funktionsschicht 18 ein und bildet dort durch mechanische Verankerung mit selbiger einen haftfesten Verbund. Die Aushärtung des als CFK- Verbund 10' hergestellten Formwerkzeugs 10 kann z. B. in einem Autoklaven erfolgen, woraufhin sich der ausgehärtete Verbund 10' samt integrierter Verschleißschutzschicht 18 vom Urwerkzeug 20 trennen lässt.1 to 4, the rear of the wear protection layer 18 provided as a sheet or foil is carried out on the primary tool 20 by means of a laminating technique (eg depositing a plurality of fiber material layers such as "prepreg layers"). During the cure cycle, "Tooling Prepreg" penetrates into the roughened functional layer 18 and forms an adhesive bond therewith by mechanical anchoring thereto. The curing of the mold 10 produced as CFRP composite 10 'z. B. in an autoclave, whereupon the cured composite 10 'together with integrated wear protection layer 18 can be separated from the tool 20.
Das Formwerkzeug 10 verschleißt nicht so schnell durch die damit durchgeführten Fertigungszyklen bzw. durch mechanische Verletzungen und Beschädigungen mittels Reinigungswerkzeugen, die zur Säuberung der Formoberfläche 12 nach jedem einzelnen Fertigungszyklus in der Regel erforderlich sind. Weiterhin schützt die Beschichtung 18 das Werkzeug 10 vor übermäßiger chemischer Alterung bzw. Degradation.The mold 10 does not wear so quickly by the manufacturing cycles performed therewith or by mechanical injuries and damage by means of cleaning tools that are required to clean the mold surface 12 after each individual production cycle in the rule. Furthermore, the coating 18 protects the tool 10 from excessive chemical aging or degradation.
Eine für die Praxis sicherlich vorteilhafte Eigenschaft der Verschleißschutzschicht 18 kann deren große mechanische Festigkeit bzw. Härte sein. Unabhängig davon kann für diese "Funktionsschicht" 18 jedoch insbesondere eine anti-adhäsive Wirkung bezüglich des mit dem Formwerkzeug 10 zu formenden Materials (z. B. CFK-Harzsystem) eine große Rolle spielen. Die applizierte Verschleißschutzschicht 18 kann also z. B. ein "reiner Verschleißschutz" (mechanisch besonders stabil), eine "reine Permanent-Trennschicht" (gut am Werkzeug anhaftend, jedoch anti-adhäsiv bezüglich des zu formenden Materials), oder eine Kombination aus beidem sein.A property of the wear protection layer 18, which is certainly advantageous for practice, may be its high mechanical strength or hardness. Regardless of this, however, an anti-adhesive effect with respect to the material to be formed with the molding tool 10 (eg CFRP resin system) may play a major role for this "functional layer" 18. The applied wear protection layer 18 can thus z. B. a "pure wear protection" (mechanically very stable), a "pure permanent release layer" (good adhering to the tool, but anti-adhesive with respect to the material to be molded), or a combination of both.
Zur Schaffung einer solchen Permanent-Trennschicht bei dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 1 bis 4 kann z. B. vorgesehen sein, dass die in Fig. 1 untere Seite der Verschleißschutzschicht 18 vor dem Auflegen auf das Urwerkzeug 20, und bevorzugt auch vor der oberflächlichen Vorbehandlung der entgegengesetzten (in den Fig. oberen) Seite, mit einem entsprechenden Lacksystem (insbesondere Einbrennlack) versehen wird. Wenn das betreffende Formwerkzeug zur Fertigung von CFK-Bauteilen vorgesehen ist, kann eine solche Permanent-Trennschicht beispielsweise Fluorpolymere, partikelförmige Trockenstoffe wie Mo, Graphit, M0S2, hex-BN etc. umfassen.To create such a permanent separation layer in the manufacturing process of FIG. 1 to 4, z. B. be provided that the lower in Fig. 1 side of the wear protection layer 18 before placing on the Urwerkzeug 20, and preferably also before the superficial pretreatment of the opposite (in the top.) Side, with a corresponding paint system (in particular stoving enamel) is provided. If the mold in question is intended for the production of CFRP components, such a permanent separating layer may comprise, for example, fluoropolymers, particulate driers such as Mo, graphite, M0S2, hex-BN, etc.
Die Formoberfläche 12 ist in den Figuren der Einfachheit halber als eine einfach gekrümmte Fläche dargestellt, da die tatsächliche Formgestaltung eine nachrangige Bedeutung besitzt. In der Praxis ist die Formoberfläche 12 zumeist mehr oder weniger kompliziert, in Anpassung an die gewünschte Bauteilkontur, gestaltet. Sie bildet das "negative Abbild" der gewünschten Kontur der Bauteiloberfläche. Des Weiteren ist hier der Einfachheit der Darstellung halber lediglich ein plattenförmi- ges Formwerkzeug 10 dargestellt. In der Praxis bildet ein solches Formwerkzeug 10 zumeist eine Werkzeughälfte eines zweiteiligen Formwerkzeugs, bei welchem das imprägnierte Fasermaterial zwischen den beiden Werkzeughälften eingeschlossen und gegebenenfalls unter Druck gesetzt wird (z. B. in einem Autokla- ven).The mold surface 12 is shown in the figures for the sake of simplicity as a simple curved surface, since the actual shape design has a secondary importance. In practice, the mold surface 12 is usually more or less complicated, in adaptation to the desired component contour designed. It forms the "negative image" of the desired contour of the component surface. Furthermore, for the sake of simplicity of illustration, only a plate-shaped molding tool 10 is shown here. In practice, such a mold 10 usually forms a mold half of a two-part molding tool, in which the impregnated fiber material is enclosed between the two mold halves and optionally pressurized (eg in an autoclave).
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Korpus des Formwerkzeugs 10 aus einem kostengünstig hergestellten CFK-Faserverbund. Wie bei bisher z. B. aus einer robusten Eisen-Nickel-Legierung (z. B. "Nickel 36") hergestellten her- kömmlichen Formwerkzeugen wird durch die beschriebene Beschichtung des CFK-Faserverbunds eine industrielle Serienproduktion der entsprechenden CFK- Bauteile ermöglicht. Derartige CFK-Bauteile sind insbesondere als Strukturbauteile im Flugzeugbau vorteilhaft einsetzbar. Insbesondere für diesen Bereich kann die Formoberfläche 12 des beschriebenen Formwerkzeugs 10 eine Fläche im Be- reich von mehreren Quadratmetern besitzen.In the illustrated embodiment, the body of the mold 10 consists of a cost-effectively produced CFRP fiber composite. As with previously z. B. from a robust iron-nickel alloy (eg., "Nickel 36") produced conventional molds is made possible by the described coating of the CFRP fiber composite industrial mass production of the corresponding CFRP components. Such CFRP components can be advantageously used in particular as structural components in aircraft construction. In particular for this area, the mold surface 12 of the mold 10 described can have an area in the area of several square meters.
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungs- form. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further exemplary embodiments, the same reference numerals are used for equivalent components, in each case supplemented by a small letter to distinguish the embodiment. In this case, essentially only the differences from the exemplary embodiment (s) already described are discussed, and moreover hereby expressly referred to the description of previous embodiments.
Die Fig. 5 bis 8 veranschaulichen ein zweites Ausführungsbeispiel der Herstellung eines aus einem durch Kompaktieren und Aushärten eines Faserverbunds 10a1 gebildeten Formwerkzeugs 10a mit einer Verschleißschutzschicht 18a, welche eine Formoberfläche 12a des Werkzeugs 10a ausbildet.Figs. 5 to 8 illustrate a second embodiment of manufacturing a molding tool 10a formed by compacting and curing a fiber composite 10a 1 with a wear protection layer 18a forming a molding surface 12a of the tool 10a.
Wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zunächst ein Urwerkzeug 20a mit einer formgebenden Oberfläche 22a bereitgestellt, auf weiche wieder eine Verschleißschutzschicht 18a als Blech oder Folie aufgelegt wird. Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Oberfläche 22a des Urwerkzeugs 20a jedoch vor dem Auflegen mit einer Trennmittelschicht 24a versehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Oberfläche 22a hierfür mit einem pastösen Trennmittel bestrichen. Den entsprechendenAs in the embodiment described above, a primary tool 20a is first provided with a shaping surface 22a, on which again a wear protection layer 18a is applied as a sheet or foil. In contrast to the embodiment described above, however, the surface 22a of the primary tool 20a is provided with a release agent layer 24a prior to placement. In the illustrated embodiment, the surface 22a for this purpose was coated with a pasty release agent. The corresponding
Schichtenaufbau zeigt Fig. 5. In dieser Figur ist ferner dargestellt, wie nachfolgend durch thermisches Spritzen mittels einer Spritzpistole 14a ein Spritzmaterial 16a an der oberen Seite der Verschleißschutzschicht 18a aufgebracht wird (z. B. HVOF oder Lichtbogendrahtspritzen). Das sich an der Oberfläche der Verschleiß- Schutzschicht 18a wieder verfestigende Spritzmaterial 16a bildet eine in Fig. 6 dargestellte Haftvermittlungsschicht 26a.5. This layer also shows how a spray material 16a is subsequently applied by thermal spraying by means of a spray gun 14a to the upper side of the wear protection layer 18a (eg HVOF or electric arc wire spraying). The spray material 16a resolidifying on the surface of the wear-resistant layer 18a forms an adhesion-promoting layer 26a shown in FIG.
Als Spritzmaterial 16a können insbesondere Metalle oder Metalllegierungen wie z. B. "Nickel 36" Verwendung finden. Oftmals ist es günstig, die Oberfläche der Ver- Schleißschutzschicht 18a vor dem Applizieren des Spritzmaterials 16a aufzurauen bzw. mikroskopisch zu strukturieren (z. B. durch Strahlen oder Lasern).As the spray material 16a in particular metals or metal alloys such. B. "Nickel 36" use. Often it is favorable to roughen or microscopically structure the surface of the wear protection layer 18a before application of the spray material 16a (for example by blasting or lasering).
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit der robotergeführten thermischen Spritzpistole 14a eine Metalllegierung (hier: Nickel 36-Pulver) aufgeschmolzen und aufgespritzt. Es ist oftmals günstig, wenn durch das thermische Spritzen mehrere Schichten eines oder mehrerer Spritzwerkstoffe auf die Verschleißschutzschicht 18a aufgebracht werden. Beispielsweise kann ein zumindest zweischichtiger Auftrag des Zusatzmaterials 16a erfolgen. Bei einer in Fig. 6 unteren Einzelschicht kann es sich z. B. um eine Schicht mit besonders guten Haftungseigenschaften zur Verschleißschutzschicht 18a hin handeln, wohingegen eine obere Einzelschicht als spätere Grenzschicht zum Formwerkzeug hin eine besonders große Haftung am Faserverbund 10a' bewerkstelligt.In the illustrated embodiment, a metal alloy (here: nickel 36 powder) is melted and sprayed with the robot-guided thermal spray gun 14a. It is often favorable if several layers of one or more spray materials are applied to the wear protection layer 18a by the thermal spraying. For example, an at least two-layer application of the additional material 16a can take place. In a lower in Fig. 6 single layer may be z. B. a layer with particularly good adhesion properties for wear protection layer 18a out, whereas an upper single layer as a later boundary layer to the mold out a particularly large adhesion to the fiber composite 10a 'accomplished.
Fig. 7 zeigt, wie auf die so präparierte Oberfläche des Urwerkzeugs 20a der Faserverbund 10a1 aufgebracht wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden Kohlenstofffasermatten aufgelegt und anschließend mit einem Harz imprägniert. Wie es durch die Pfeile in Fig. 7 symbolisiert ist, wird der Faserverbund 10a' gegen die formgebende Obefläche 22a des Urwerkzeugs 20a gedrückt, somit kom- paktiert, und anschließend ausgehärtet. Es entsteht das Formwerkzeug 10a.FIG. 7 shows how the fiber composite 10a 1 is applied to the thus prepared surface of the primary tool 20a. In the illustrated embodiment carbon fiber mats are placed and then impregnated with a resin. As symbolized by the arrows in FIG. 7, the fiber composite 10a 'is pressed against the shaping surface 22a of the primary tool 20a, thus compacted, and then cured. The result is the mold 10a.
Wenn das Urformwerkzeug 20a wieder geöffnet wird, um das CFK-Laminat 10a' zu entformen, was in Fig. 8 veranschaulicht ist, haftet die Verschleißschutzschicht 18a mittels der Haftvermittlungsschicht 26a besonders gut an der Formoberfläche 12a' des Faserverbunds 10a'. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die zunächst an einem Urwerkzeug bereitgestellte Verschleißschutzschicht 18a während des Formungsprozesses zur Bildung des Formwerkzeugs 10a vom Urwerkzeug auf das Werkzeug transferiert.When the primary mold 20a is reopened to demould the CFRP laminate 10a ', which is illustrated in FIG. 8, the anti-wear layer 18a adheres particularly well to the mold surface 12a' of the fiber composite 10a 'by means of the primer layer 26a. As in the embodiment described above, the wear protection layer 18a initially provided on a master tool was transferred from the master tool to the tool during the molding process for forming the former 10a.
Zusammenfassend erfolgt bei den beiden beispielhaft beschriebenen Herstellungsverfahren das Aufbringen eines Oberflächenschutzsystems durch Einbetten von "Inserts" wie z. B. Kunststoff-Folien (z. B. geätzte PTFE-Folien, temperaturbeständige Fluorpolymer-Folien mit anti-adhäsiven Eigenschaften), Metallfolien (z. B. aus Edelstahl), Metallblechen, Vliesen (z. B. Metallvliese oder Polymervliese) etc. Diese Inserts werden durch gezielte, einseitige Vorbehandlung haftfest in die Werkzeug-Formoberfläche integriert, wobei die Vorbehandlung z. B. ein Ätzen, eine Aufrauung und/oder den Aufbau einer Haftvermittlungsschicht durch thermisches Spritzen umfasst.In summary, the application of a surface protection system by embedding "inserts" such as. B. plastic films (eg etched PTFE films, temperature-resistant fluoropolymer films with anti-adhesive properties), metal foils (eg made of stainless steel), metal sheets, nonwovens (eg metal nonwovens or polymer nonwovens) etc. These inserts are firmly adhered to the mold surface by targeted, one-sided pretreatment, the pretreatment z. As an etching, a roughening and / or the construction of a primer layer by thermal spraying.
Der Verfahrensablauf bei Verwendung einer Metallfolie oder eines Metallblechs als Verschleißschutzschicht bei einem aus einem CFK-Faserverbund gebildeten Formwerkzeug zur Fertigung von CFK-Bauteilen kann zusammenfassend also z. B. wie folgt erfolgen: Zunächst wird die beispielsweise bereits einseitig mittels der thermischen Spritztechnik beschichtete Metallfolie bzw. das Metallblech auf das Urmodell drapiert. Optional besteht die Möglichkeit, die spätere Funktionsoberflä- che des Formwerkzeugs mit einer anti-adhäsiven Funktionsschicht auszustatten. Bedingt durch die hohen Einbrenntemperaturen (z. B. größer als 350 0C) einer solchen anti-adhäsiven Schicht ist es zweckmäßig die Applikation derselben vor dem Auftrag der als Haftvermittler wirkenden aufgespritzten Beschichtung und vor dem Einbetten in den CFK-Faserverbund vorzunehmen. Sodann erfolgt der Hin- terbau der Metallfolie bzw. des Metallblechs mittels der Laminiertechnik (Tooling Prepreg) auf die gespritzte Haftvermittlungsschicht. Nach erfolgter Aushärtung, beispielsweise in einem Autoklaven, lässt sich der CFK-Faserverbund samt integrierter Folie bzw. dem integrierten Metallblech vom Urmodell trennen. Ein Finis- hing-Prozess ist zumeist nicht erforderlich.The procedure when using a metal foil or a metal sheet as wear protection layer in a formed from a CFRP fiber composite mold for the production of CFRP components can be summarized so z. Example, as follows: First, for example, already coated on one side by means of thermal spraying metal foil or metal sheet is draped onto the master model. Optionally, it is possible to equip the later functional surface of the mold with an anti-adhesive functional layer. Due to the high stoving temperatures (eg greater than 350 ° C.) of such an anti-adhesive layer, it is expedient to apply the same before applying the spray-applied coating acting as adhesion promoter and before embedding it in the CFRP fiber composite. Then, the back of the metal foil or the metal sheet by means of the lamination technique (Tooling Prepreg) takes place on the sprayed primer layer. After hardening, for example in an autoclave, the CFRP fiber composite together with the integrated foil or the integrated metal sheet can be separated from the original model. A Finishing process is usually not required.
Bei dem beschriebenen Verfahrensablauf besteht auch die Möglichkeit, Metallfolien z. B. durch Tiefziehen auf komplexere Geometrien der betreffenden Formoberfläche anzuwenden.In the described procedure, it is also possible, metal foils z. B. apply by deep drawing on more complex geometries of the mold surface concerned.
Wenngleich der vorstehend beschriebene Verfahrensablauf auch bei Verwendung von nicht-metalischen Materialien als Verschleißschutzschicht in Betracht kommt, so könnte ein für Kunststofffolien (insbesondere Fluorpolymer-Folien) vorteilhafter Verfahrensablauf z. B. wie folgt erfolgen: Zunächst werden eine oder mehrere, einseitig geätzte oder mit aufgeschweißtem Glasfasergewebe versehene Folien auf ein Urwerkzeug bzw. Urmodell drapiert. Sodann erfolgt ein Hinterbau der Fo- lie(n) mittels Laminiertechnik (Tooling-Prepreg). Bei der Formung des Faserver- bunds mittels des Urwerkzeugs (z. B. beim Kompaktieren und/oder Aushärten) dringt flüssiges Matrixmaterial (z. B. Harz) in die vorbehandelte (geätzte) Folienseite ein und bildet dadurch eine sehr gute mechanische Verankerung zwischen dem Matrixmaterial und der Folie. Nach erfolgter Aushärtung, die bevorzugt in ei- nem Autoklaven bewerkstelligt wird, lässt sich der ausgehärtete Faserverbund samt integrierter Kunststofffolie leicht vom Urmodell trennen. Ein Finishing- Prozess ist zumeist nicht erforderlich.Although the method described above, even when using non-metallic materials as wear protection layer is considered, so could for plastic films (in particular fluoropolymer films) advantageous process flow z. B. be carried out as follows: First, one or more, one-side etched or provided with welded-fiberglass fabric films are draped on a master tool or master model. Then, a rear construction of the film (s) takes place by means of lamination technology (tooling prepreg). In the shaping of the fiber By means of the primary tool (eg during compacting and / or curing), liquid matrix material (eg resin) penetrates into the pretreated (etched) film side and thereby forms a very good mechanical anchoring between the matrix material and the film. After curing, which is preferably accomplished in an autoclave, the cured fiber composite including integrated plastic film can be easily separated from the original model. A finishing process is usually not required.
Bei dem zuletzt beschriebenen Verfahrensablauf besteht auch die Möglichkeit, Kunststofffolien durch einen vorgeschalteten Prozess mittels Thermoforming auf komplexere Geometrien der betreffenden Formoberfläche anzuwenden.In the process described last, it is also possible to apply plastic films by an upstream process by means of thermoforming to more complex geometries of the mold surface concerned.
Insbesondere bei Verwendung fluorpolymerhaltiger Materialien (Folien) sowie Compounds lassen sich verfahrensangepasste, beschichtete CFK-Werkzeuge (Femis) zur trennmittelfreien und somit umweltschonenden Fertigung von Formbauteilen, insbesondere CFK-Leichtbaustrukturen herstellen.In particular when using fluoropolymer-containing materials (films) and compounds, process-adapted, coated CFRP tools (femhes) can be produced for release-agent-free and thus environmentally friendly production of molded components, in particular CFRP lightweight structures.
Mit den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lassen sich beispielsweise folgende Vorteile erzielen:With the embodiments described above, for example, the following advantages can be achieved:
Eine mit Verschleißschutz und/oder anti-adhäsiven Systemen beschichtete Formoberfläche bietet Schutz vor Verletzungen bei notwendigen Reinigungsarbeiten und erleichtert solche Reinigungsarbeiten.A mold surface coated with wear protection and / or anti-adhesive systems provides protection against injury during necessary cleaning work and facilitates such cleaning.
- Durch die Beschichtung mit einem Verschleißschutz, die auch als Versiegelung wirkt, kann der Reinigungsaufwand deutlich reduziert werden, da das "Ausbluten des Formenharzes" vermieden wird und es somit nicht mehr zu einer mechanischen Verankerung mit dem Bauteilharz kommen kann.- By coating with a wear protection, which also acts as a seal, the cleaning effort can be significantly reduced because the "bleeding of the molding resin" is avoided and thus it can no longer come to a mechanical anchoring with the component resin.
- Durch die erzielte Erhöhung der Standzeit eines Formwerkzeugs kann eine beträchtliche Produktivitätssteigerung erreicht werden. Bislang übliche Stahl-Formwerkzeuge mit all ihren negativen Eigenschaften können in vielen Bereichen durch kostengünstigere Faserverbund-Werkzeuge ersetzt werden.- The achieved increase in the life of a mold, a considerable increase in productivity can be achieved. Previously common steel molds with all their negative properties can be replaced in many areas by cheaper fiber composite tools.
Durch das "abformende Verfahren" ("in-mould-Technik") lassen sich sehr gute Haftfestigkeiten erzielen.The "molding process" ("in-mold technique") allows very good bond strengths to be achieved.
Ein Oberflächenschutz für einfach kontuherte Geometrien der Formoberfläche lässt sich durch die Einbettung von einseitig vorbehandelten Folien oder Blechen sehr gut und mit geringem Aufwand realisieren.A surface protection for easily controlled geometries of the mold surface can be realized very well and with little effort by the embedding of single-sided pretreated foils or sheets.
Durch die Einbettung einer einseitig geätzten Kunststofffolie, z. B. Fluorpolymer-Folie, kann auf die Verwendung von Trennmitteln beim Formungsprozess mittels des Formwerkzeugs vorteilhaft verzichtet werden.By embedding a one-side etched plastic film, z. As fluoropolymer film, can be advantageously dispensed with the use of release agents in the molding process by means of the molding tool.
Durch die Verwendung einer Schichtkombination bestehend aus Verschleißschutz mit inhärenter, anti-adhäsiver Wirkung bzw. Trenneigenschaften kann gegebenenfalls auch auf dem Einsatz von flüssigen Trennmitteln (semi- permanent und oftmals umweltschädigend) verzichtet werden. Dies bedeutet zudem eine Kosteneinsparung. Beispielsweise lassen sich fluorpolymerhaltige Materialien in Pulverform in Compoundierung in Spritzpulver, d. h. durch Bildung einer Kombination aus Verschleißschutz mit integrierter anti-adhäsiver Wirkung mit der Spritzpistole verarbeiten.By using a layer combination consisting of wear protection with inherent, anti-adhesive effect or release properties, the use of liquid release agents (semi-permanent and often harmful to the environment) may also be dispensed with. This also means a cost saving. For example, fluoropolymer-containing materials in powder form can be compounded into wettable powder, i. H. process with the spray gun by forming a combination of wear protection with integrated anti-adhesive action.
Durch die aufgezeigten unterschiedlichen Verfahren zur Integration eines O- berflächenschutzes bzw. Oberflächenschutzsystems an der Formoberfläche im Rahmen der Herstellung eines Formwerkzeugs können für nahezu alle in der Praxis relevanten Formgeometrien Beschichtungslösungen gefunden werden. As a result of the various methods for the integration of an O berflächenschutzes or surface protection system on the mold surface in the context of the production of a mold coating solutions can be found for almost all relevant in the mold geometries.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen eines aus einem Faserverbund (10') gebildeten Formwerkzeugs (10) mit einer Verschleißschutzschicht (18) an einer Form- Oberfläche des Formwerkzeugs, wobei die Verschleißschutzschicht (18) zunächst als Blech oder Folie auf eine Formoberfläche eines Urwerkzeugs (20) aufgelegt wird, welches zur Bildung des Formwerkzeugs (10) aus dem Fa- serverbund(IO') vorgesehen ist, und dann bei der Bildung des Formwerkzeugs (10) von der Formoberfläche des Urwerkzeugs (20) auf die Formober- fläche des Formwerkzeugs (10) übertragen wird.1. A method for producing a formed from a fiber composite (10 ') mold (10) having a wear protection layer (18) on a mold surface of the mold, wherein the wear protection layer (18) as a sheet or foil initially on a mold surface of a Urwerkzeugs (20 ), which is provided for forming the molding tool (10) from the fiber composite (IO '), and then during the formation of the molding tool (10) from the molding surface of the primary tool (20) onto the molding surface of the molding tool (10). 10) is transmitted.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Faserverbund (10') aus CFK gebildet wird.2. The method of claim 1, wherein the fiber composite (10 ') is formed from CFRP.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Formwerkzeug (10) zur Fertigung von Faserverbundbauteilen vorgesehen ist.3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the mold (10) is provided for the production of fiber composite components.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Formwerkzeug (10) zur Fertigung von CFK-Bauteilen vorgesehen ist.4. The method of claim 3, wherein the mold (10) is provided for the production of CFRP components.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verschleißschutzschicht (18), vor und/oder nach dem Auflegen, mit einer Haftvermittlungsschicht (26) versehen wird.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the wear-resistant layer (18), before and / or after placing, with an adhesion-promoting layer (26) is provided.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Haftvermittlungsschicht (26) durch ein thermisches Spritzen (14) aufgebaut wird.The method of claim 5, wherein the primer layer (26) is built up by thermal spraying (14).
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Haftvermittlungsschicht (26) durch eine oberflächliche Vorbehandlung der Verschleißschutzschicht (18) erzeugt wird. 7. The method according to claim 5, wherein the adhesion-promoting layer (26) is produced by a surface pretreatment of the wear-resistant layer (18).
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