DE102015209918A1

DE102015209918A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils

Info

Publication number: DE102015209918A1
Application number: DE102015209918.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Miadowitz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils (1) mittels eines speziellen Befüllvorgangs eines Hohlraums (3) eines Stützhohlkerns (2), auf den Verstärkungsfasern (6) aufgebracht werden. Durch den speziellen Befüllvorgang des Hohlraums (3) mit einem kristallisationsfähigen Medium (4, 4.1, 4.2) kann der Innendruck flexibel erhöht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils unter Verwendung mindestens eines Stützhohlkerns.
Es ist grundlegend bekannt, dass zur Herstellung von Hohlbauteilen und insbesondere faserverstärkten Hohlbauteilen, wie beispielsweise Faserverbundwerkstoffhohlbauteilen, beispielsweise das RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Moulding-Verfahren) oder auch das Vakuum-Injektionsverfahren angewandt wird. Ein Faserverbundkunststoff (FVK) beziehungsweise ein faserverstärkter Kunststoff oder ein Faserkunststoffverbund besteht grundlegend aus Verstärkungsfasern und einem Matrixwerkstoff, wie z. B. einer Kunststoffmatrix, welcher die Fasern umgibt. Die Fasern selbst werden beispielsweise durch Adhäsions- oder Kohäsionskräfte an den Matrixwerkstoff gebunden, so dass die Faser-Matrix-Verbunde ein richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten aufweisen.
Vorteilhaft weisen faserverstärkte Bauteile eine spezifische hohe Steifigkeit und Festigkeit auf und finden insbesondere im Leichtbau Anwendung. Hierbei wird mindestens eine Lage von uni- oder bidirektional ausgerichteten Verstärkungsfasern auf einen Stützkern bzw. Formkern, der als Negativform die Innenkontur des faserverstärkten Hohlbauteils abbildet, aufgebracht. Diese Einheit aus Stützkern und Verstärkungsfasern wird mittels Greif- und Transportarmen in ein Werkzeug eingelegt, das als Negativform die äußere Kontur des faserverstärkten Hohlbauteils abbildet. Durch Injizieren eines härtbaren Kunststoffs wird der Zwischenraum zwischen dem mit Verstärkungsfasern umflochtenen Formkern und dem Werkzeug ausgefüllt, wobei die Lage aus Verstärkungsfasern derart getränkt wird, dass nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffs ein Verbundbauteil aus einer Matrix, wie z. B. einer Kunststoffmatrix, mit eingebetteten Verstärkungsfasern entstanden ist.
Beim RTM-Verfahren wird der Matrixwerkstoff unter Druck in den Hohlraum zwischen dem Stützkern und dem Werkzeug injiziert, während beim Vakuum-Injektionsverfahren ein Vakuum erzeugt wird, mittels dessen der Matrixwerkstoff in den Hohlraum gesaugt wird.
Als Stützkern für die Herstellung von Hohlbauteilen im RTM-Verfahren wird bekannter Weise ein sogenannter Schmelzkern aus Wachs eingesetzt, wobei die hierfür erforderlichen Herstellungsprozesse insbesondere aufgrund der Größe des Kernes sehr aufwändig sind. Zwar werden Schmelzkerne nach der Fertigstellung des Hohlbauteils wieder ausgeschmolzen, jedoch können dabei auf der Bauteilinnenwand des Hohlbauteils Wachsreste verbleiben, wodurch unter anderem das Bauteilgewicht des Hohlbauteils erhöht wird. Zudem bedingt der Ausschmelzprozess des Wachses hohe Zykluszeiten bei der Herstellung des Hohlbauteils, welche folglich zu einer Erhöhung der Herstellkosten führt. Des Weiteren sind Stützkerne aus niedrig schmelzenden Wismut-Legierungen bekannt, wobei jedoch aufgrund des hohen Energieaufwandes zum Schmelzen dieser Formkerne sowie aufgrund des hohen Eigengewichts der Stützkerne und der daraus resultierenden, erschwerten Handhabbarkeit, aber auch aufgrund der Gesundheitsgefährdung durch auftretende Wismut-Dämpfe, diese Stützkerne selten Verwendung finden. Ebenfalls sind Stützkerne aus hochdichtem Schaumstoff grundlegend bekannt, welche jedoch nach der Herstellung des Hohlbauteils in diesem verbleiben und infolgedessen nachteilig zu einer Gewichtserhöhung des Hohlbauteils führen.
Damit beim Injizieren des Matrixwerkstoffs während des Spritzpressprozesses bzw. RTM-Prozesses die Stützkerne dem auftretenden hohen Drücken standhalten und folglich formstabil bleiben, sind die Stützkerne der oben genannten Art Bekannterweise aus Vollmaterial gefertigt. Verbleiben diese Stützkerne jedoch nach der Herstellung des faserverstärkten Hohlbauteils in diesem, so bedingen diese Stützkerne eine nicht unerhebliche Gewichtserhöhung des Hohlbauteils. Bei einem Einsatz von faserverstärkten Hohlbauteilen ist jedoch eine Gewichtsreduktion im Vergleich zu beispielsweise metallischen Bauteilen zu erzielen. Demzufolge werden grundlegend Stützkerne, welche insbesondere auch als Blasformkerne bezeichnet werden können, bevorzugt, welche vorteilhaft nach dem Injektionsverfahren aus dem hergestellten Bauteil und insbesondere dem Hohlbauteil wieder entfernt werden können.
Der Blasformkern bzw. der Stützkern bzw. der Stützhohlkern, welcher zur Formgebung eines Hohlbereiches bzw. Hohlraumes des faserverstärkten Hohlbauteils dient, wird beispielsweise im Streckblasverfahren hergestellt. Der Hohlraum des Stützkerns ist beispielsweise mit einer Umgebungsluft ohne Druckbeaufschlagung oder mit Druckbeaufschlagung gefüllt. Der Stützkern selbst weist aufgrund seiner dünner Wandung, z. B. einer Kunststoffwandung, eine geringe Biegesteifigkeit auf, so dass es nachteilig zu einer Beschädigung oder Deformierung des Stützkerns beim Handling mittels Handlings- bzw. Greifrobotern kommen kann. Ein Handling des Stützkerns ist insbesondere bei einem Transportieren des mit den Verstärkungsfasern umflochtenen Stützkerns von der Flechtanlage zu der Spritzpressanlage (RTM-Anlage) bzw. Harzinjektionsanlage bzw. Infiltrationsanlage oder auch während eines Bewegens des Stützkerns innerhalb der Flechtanlage während des Umflechtprozesses der Stützkerne mit den Verstärkungsfasern bzw. Verstärkungsfasermatten erforderlich.
Um eine Kollabierung des Stützkerns aufgrund der Deformierungen durch die Greifroboter bzw. Robotersysteme zu vermeiden, ist eine aufwendige Gestaltung des Transportsystems und insbesondere der Greifrobotersysteme erforderlich, wodurch nachteilig wiederum die Produktionsgeschwindigkeit bei der Herstellung von faserverstärkten Hohlbauteilen eingeschränkt ist, insbesondere da die Geschwindigkeitskomponente die Umflechtgeschwindigkeit und folglich die Taktzeit für die gesamte Herstellung des faserverstärkten Hohlbauteils begrenzt. Demzufolge wird nachteilig aufgrund der geringen Druckstabilität des insbesondere leeren oder mit Luft bei Umgebungsdruck gefüllten Stützkerns ein Beschädigen bzw. Quetschen des Stützkerns beim Greifen mittels des Greifrobotersystems hervorgerufen. Des Weiteren ist es grundlegend bekannt, dass im Querschnitt kleine Körper sich besser greifen lassen als Geometrien mit großem Querschnitten, wobei die Wandstärke bei kleinen Querschnitten relevant zur Drucksteifigkeit beiträgt und folglich das Unterstützen des Stützkerns mittels eines Greifrobotersystems unterstützt. Da jedoch die Sollwandstärke auch bei verschiedenen Geometrieausprägungen und insbesondere bei kleinen sowie auch bei großen Geometrien des Stützkerns konstant ist, verschlechtert sich folglich das Greifpotenzial bei einem größeren Stützkern. Des Weiteren ist es bekannt, dass insbesondere eine Vergrößerung des Greifers bzw. des Greifrobotersystems insbesondere aus Platzmangelgründen bzw. Handlingsgründen an der Anlage zumeist nicht möglich ist.
Überdies sind Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Hohlbauteilen bekannt, bei denen in einem mit Verstärkungsfasern bespannten Stützholkern während des Imprägnierens der Verstärkungsfasern mit einem Matrixmaterial ein Innendruck erhöht wird. Durch eine derartige Erhöhung des Innendrucks kann ein Faservolumengehalt der Verstärkungsfasern verändert bzw. vergrößert werden. Somit sind faserverstärkte Hohlbauteile herstellbar, die z. B. eine besonders hohe Steifigkeit aufweisen. Derartige Verfahren haben den Nachteil, dass zum Erhöhen des Innendrucks des Stützhohlkerns kostenintensive Anlagen bereitgestellt werden müssen. Ferner weisen derartige Verfahren eine hohe Komplexität auf, die Prozessführung ist oftmals sehr aufwändig und zeitintensiv.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils zur Verfügung zu stellen, mittels welchem auf eine einfache sowie kostengünstige Art und Weise ein faserverstärktes Hohlbauteil erzeugt werden kann, wobei eine Deformierung des Stützhohlkerns während des Aufbringungsprozesses der Verstärkungsfasern bzw. der Verstärkungsfasermatten sowie auch während des Spritzpressprozesses vermieden wird und unterschiedliche Faservolumengehalte der Verstärkungsfasern erzeugbar sind. Gleichzeitig ist es bevorzugt, wenn das Verfahren derart ausgebildet ist, dass ein Entfernen des Stützhohlkerns nach dem Erzeugen des faserverstärkten Hohlbauteils aus diesem Hohlbauteil bei Bedarf auch wieder entfernen zu können, um beispielsweise das Gewicht des erzeugten Hohlbauteils nicht nachteilig zu erhöhen.
Die voranstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Patentansprüche. Demnach wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils weist die folgenden Schritte auf:

– Anordnen eines Stützhohlkerns mit einem Hohlraum innerhalb einer Anlage zum Aufbringen von Verstärkungsfasern auf wenigstens einen Bereich des Stützhohlkerns;
– Befüllen des Hohlraums mit einem kristallisationsfähigem Medium zur Stabilisierung einer Wandung des Stützhohlkerns, wobei das kristallisationsfähige Medium in einem festen Zustand eine höhere Dichte als in einem flüssigen Zustand aufweist;
– Verfestigen zumindest eines Teils des kristallisationsfähigen Mediums;
– Weiteres Befüllen des Hohlraums mit dem kristallisationsfähigem Medium und/oder einem weiteren Medium derart, dass eine in den Hohlraum eingefüllte Gesamtmenge des kristallisationsfähigen Mediums im flüssigen Zustand zusammen mit einer in den Hohlraum eingefüllten Gesamtmenge des weiteren Mediums ein größeres Volumen als der Hohlraum aufweisen;
– Aufbringen zumindest einer Verstärkungsfaserschicht aus Verstärkungsfasern auf wenigstens einen Bereich des Stützhohlkerns;
– Aufbringen eines aushärtenden Matrixwerkstoffs auf die Verstärkungsfaserschicht; und
– Verflüssigen mindestens eines Teils des festen kristallisationsfähigen Mediums nach dem Aufbringen aushärtenden Matrixwerkstoffs auf die Verstärkungsfaserschicht derart, dass ein Innendruck in dem Hohlraum erhöht wird.

Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte faserverstärkte Hohlbauteil ist insbesondere ein faserverstärktes Kunststoffhohlbauteil, welches insbesondere in der Fahrzeugtechnik als Kraftfahrzeugbauteil für zum Beispiel Fahrzeugkarosserien eingesetzt werden kann. So ist es denkbar, dass das Hohlbauteil beispielsweise ein Türschweller ist. Als Fahrzeug wird hierbei insbesondere ein Landfahrzeug, wie beispielsweise ein Personenkraftfahrzeug, ein Lastkraftfahrzeug oder ein Zweirad, verstanden, oder auch ein Wasserfahrzeug, wie beispielsweise ein Schiff, oder auch ein Luftfahrzeug, wie beispielsweise ein Flugzeug.
Der in dem Verfahren verwendete Stützhohlkern zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils weist eine einen Hohlraum bildende Wandung auf. Der Stützhohlkern ist insbesondere ein Blasformkern, z. B. aus einem Streckblasverfahren, welcher vorteilhaft aus einem thermoplastischen Material wie beispielsweise Polypropylen, Polyurethan, Polyvinylchlorid oder einem ähnlichen Thermoplast besteht bzw. zumindest ein thermoplastisches Material der zuvor genannten Art aufweist. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Stützholkern aus einem duroplastischen Material, wie beispielsweise Melaminharz, Epoxidharz oder Acrylat hergestellt ist oder zumindest ein derartiges duroplastischen Material aufweist. Der Stützhohlkern selbst wird vorteilhaft im Streckblasverfahren hergestellt und weist demzufolge eine dünnwandige Wandung auf, die aus dem thermoplastischen und/oder dem duroplastischen Material besteht oder zumindest ein thermoplastisches und/oder duroplastisches Material aufweist. Vorteilhaft weist der Stützhohlkern mindestens einen Einlassbereich und insbesondere eine Einlassöffnung zum Einbringen des kristallisationsfähigen Mediums auf, wobei es jedoch auch denkbar ist, dass der Stützhohlkern mehr als einen Einlassbereich und insbesondere zwei oder mehr Einlassbereiche aufweist. Nach der Herstellung des Stützhohlkerns wird dieser vorteilhaft in eine Befüllungsanlage eingebracht, innerhalb welcher der Stützhohlkern mit dem kristallisationsfähigen Medium befüllt wird. Dabei wird wenigstens ein Einfüllstutzen in den Stützhohlkern in dem Bereich seiner Einlassöffnung eingebracht.
Die Anlage zum Aufbringen von Verstärkungsfasern oder auch von Verstärkungsfasermatten auf wenigstens einen Bereich des Stützhohlkerns ist beispielsweise eine Flechtanlage, welche dazu dient, den Stützhohlkern mit entsprechenden Verstärkungsfasern bzw. Verstärkungsfasermatten zu umflechten. Während des Anordnungsvorganges der Verstärkungsfasern auf dem Stützhohlkern wird der Stützhohlkern vorteilhaft innerhalb der Anlage bewegt und beispielsweise mittels Greifelementen und Transportelementen gedreht, so dass ein definiertes Anordnen und insbesondere ein Umwickeln bzw. Umflechten des Stützhohlkerns mit Verstärkungsfasern bzw. Verstärkungsfasermatten ermöglicht werden kann.
Als Verstärkungsfasern können beispielsweise anorganische, metallische oder organische Verstärkungsfasern oder Naturfasern dienen. Anorganische Verstärkungsfasern haben zumeist eine amorphe Struktur und weisen eine hohe Temperaturfestigkeit auf. Anorganische Verstärkungsfasern sind beispielsweise Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern oder auch Keramikfasern. Metallische Verstärkungsfasern sind beispielsweise Stahlfasern, während organische Verstärkungsfasern, welche einen hohen Orientierungsgrad aufweisen, beispielsweise Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyethylenfasern oder auch Plexiglasfasern sein können. Naturfasern sind insbesondere nachwachsende Verstärkungsfasern, welche hinsichtlich der oben genannten anderen Verstärkungsfasern eine niedrige Dichte aufweisen. So sind beispielsweise Flachsfaser, Hanffasern, Holzfasern oder Sisalfasern entsprechend als Naturfasern bezeichnet.
Um vorteilhaft eine Deformierung des Stützhohlkerns bereits während des Anordnens der Verstärkungsfasern bzw. der Verstärkungsfasermatten zu vermeiden, wird der Stützhohlkern mit einem kristallisationsfähigen Medium befüllt, welches vorteilhaft den Hohlraum des Stützhohlkerns vollständig ausfüllt. Das Befüllen des Stützhohlkerns mit dem kristallisationsfähigen Medium findet beispielsweise nach dem Herstellen des Stützhohlkerns in einer Füllanlage statt, in welcher über Füllstutzen über einen Öffnungs- bzw. Einlaufbereich des Stützhohlkerns das kristallisationsfähige Medium in den Hohlraum des Stützhohlkerns eingebracht wird. Vorteilhaft wird direkt nach dem Einbringen des kristallisationsfähigen Mediums in den Hohlraum des Stützhohlkerns die Kristallisation des Mediums verursacht, so dass ein Verschließen des Stützhohlkerns zum Verhindern eines Austretens des kristallisationsfähigen Mediums, das vorteilhaft noch in einem fließfähigen Zustand vor der Kristallisation vorliegt, verhindert werden kann. Mittels dem kristallisationsfähigen Medium und insbesondere mittels dem im kristallisierten Zustand befindlichen kristallisationsfähigen Medium wird eine ein thermoplastisches Material aufweisende Wandung des Stützhohlkerns vorteilhaft stabilisiert bzw. verstärkt bzw. versteift, sodass eine Deformierung des Stützkerns bei Aufbringen von Kräften, wie beispielsweise Druckkräften der Greifrobotersysteme auf den Stützkern während dessen Bewegung vorteilhaft verhindert wird.
Das kristallisationsfähige Medium weist vorzugsweise oberhalb einer Umwandlungstemperatur, die beispielsweise zwischen 55 und 60°C liegt, einen flüssigen Zustand und unterhalb der Umwandlungstemperatur einen festen, kristallinen Zustand auf.
Es können auch kristallisationsfähige Medien erfindungsgemäß verwendet werden, bei denen ein Verfestigen zusätzlich oder alternativ beispielsweise durch ”Anstoßen” erfolgen kann. Als Prinzip des Anstoßens wird der Effekt bezeichnet, welcher den Kristallisationsvorgang auslöst, wobei es sich bei einem derartigen flüssigen kristallisationsfähigen Medium im beladenen Stützhohlkern um ein metastabiles System handelt. Eine Verfestigung eines derartigen kristallisationsfähigen Mediums ist über die Erzeugung von Kristallisationskeimen möglich. Hierbei werden von aktiven Stellen Ionen gebunden, die erste Kristallstrukturen bilden, aus welchen wiederum ein ungehemmtes Kristallwachstum einsetzt. Ein Anstoßen des Kristallisationsvorganges kann beispielsweise durch ein Biegen oder auch ein Schlagen von blankem Metall auf entsprechenden kristallinen Oberflächen erfolgen, wobei dadurch die Kristallisation des Salzes aus einer übersättigten Umgebung ausgelöst werden kann. Entsprechendes gilt auch beispielsweise bei der Verwendung von Kunststoffelementen wie Kunststoffplättchen, welche ebenfalls kristalline Bereiche aufweisen.
Vorzugsweise ist innerhalb des Hohlraumes des Stützhohlkerns ein Initiatormittel zum Auslösen der Kristallisation des kristallisationsfähigen Mediums angeordnet. Ein Initiatormittel ist insbesondere dafür erforderlich, den Kristallisationsvorgang zur Kristallisation des kristallisationsfähigen Mediums und folglich definiert zu einem vorbestimmten Zeitpunkt auszulösen. Hierfür ist das Initiatormittel vorteilhaft innerhalb des Hohlraumes des Stützhohlkerns eingebracht, wobei es auch denkbar ist, dass das Initiatormittel zumindest lediglich teilweise und/oder lediglich zeitweise in den Hohlraum des Stützhohlkerns eingebracht ist. Es kann vorgesehen sein, dass das Initiatormittel ein anstoßbarer, ein metallisches Material und/oder ein Kunststoffmaterial aufweisender Körper ist. Unter dem Begriff des Anstoßens wird im Rahmen der Erfindung beispielsweise ein Knicken oder zumindest ein Bewegen bzw. ein Aktivieren des oben genannten Körpers verstanden, um folglich aktive Stellen im Salzhydrat zu erzeugen. Das Erzeugen der aktiven Stellen, welche auch als Kristallisationskeime verstanden werden, dient dazu, ein ungehemmtes Kristallwachstum im kristallisationsfähigen Medium zu erzeugen. Das kristallisationsfähige Medium erzeugt insbesondere im kristallisierten Zustand vorteilhaft eine höhere Steifigkeit und insbesondere eine erhöhte Biegesteifigkeit des Stützhohlkerns und insbesondere der thermoplastischen Wandung des Stützhohlkerns, so dass eine Deformierung des Stützhohlkerns während des Bewegens des Stützhohlkerns innerhalb beispielsweise der Umflechtanlage oder auch während des Transportes beispielsweise von der Umflechtanlage zu der Spritzpressanlage vorteilhaft vermieden wird.
Nach dem Kristallisieren des kristallisationsfähigen Mediums hat sich folglich die Biegesteifigkeit und Drucksteifigkeit des Stützhohlkerns derart hinreichend erhöht, dass ein Drehen bzw. Bewegen des Stützhohlkerns innerhalb der Anlage zum Aufbringen von Verstärkungsfasern sowie auch während des Transportes des Stützhohlkerns von der Anlage zum Aufbringen der Verstärkungsfasern zu der Spritzpressanlage bzw. zu einem Spritzpress-Werkzeug (RTM-Werkzeug) keine Deformierung des Stützhohlkerns mehr hervorruft.
Das kristallisationsfähige Medium weist im festen Zustand eine höhere Dichte als im flüssigen Zustand auf. Somit weist das kristallfähige Medium im festen Zustand ein geringeres spezifisches Volumen als im flüssigen Zustand auf. Das in den Hohlraum gefüllte kristallisationsfähige Medium ist beim Befüllen des Hohlraums vorzugsweise flüssig bzw. im Wesentlichen flüssig. Durch das Verfestigen kristallisationsfähigen Mediums nimmt ein Gesamtvolumen des in den Hohlraum gefüllten kristallisationsfähigen Mediums ab. Das auf diese Weise frei gewordene Volumen des Hohlraums ermöglicht ein weiteres Befüllen des Hohlraums mit dem kristallisationsfähigen Medium und/oder einem weiteren Medium. Es ist daher bevorzugt, dass beim ersten Befüllen der Hohlraum vollständig bzw. im Wesentlichen vollständig mit dem kristallisationsfähigen Medium ausgefüllt wird. Weiter bevorzugt wird das durch das Verfestigen des kristallisationsfähigen Mediums Volumen des Hohlraums vollständig bzw. im Wesentlichen vollständig mit dem kristallisationsfähigen Medium und/oder dem anderen Medium, vorzugsweise dem kristallisationsfähigen Medium, ausgefüllt. Wenn das weitere Befüllen mit einem kristallisationsfähigen Medium erfolgt, wird dieses vorzugsweise ebenfalls verfestigt, so dass erneut ein Volumen im Hohlraum frei wird. Erfindungsgemäß können die Schritte weiteres Befüllen mit einem kristallisationsfähigen Medium und Verfestigen des kristallisationsfähigen Mediums demnach solange wiederholt werden, bis der Hohlraum eine Zielgesamtmenge an kristallisationsfähigem Medium aufweist. Die Zielgesamtmenge hängt davon ab, wie groß ein zu erzeugender Innendruck in dem Hohlraum zur Erhöhung des Faservolumengehalts der Verstärkungsfasern gewählt wird. Um einen maximal möglichen Innendruck zu erzeugen wird der Hohlraum derart befüllt, dass dieser vollständig bzw. im Wesentlichen vollständig mit festem kristallisationsfähigen Medium befüllt ist.
Als weiteres Medium könnte beispielsweise ein streufähiger Feststoff, wie z. B. ein Granulat, verwendet werden. Dabei ist bevorzugt, dass eine Kristallisation des kristallisationsfähigen Mediums durch das weitere Medium nicht bzw. nicht wesentlich gestört wird. Anstatt der Verwendung eines weiteren Mediums kann beim weiteren Befüllen des Hohlraums selbstverständlich auch das kristallisationsfähige Medium verwendet werden. Durch die Befüllung des Hohlraums mit ausgewählten Medien in einer jeweils definierten Menge ist ein erzeugbarer Innendruck im Hohlraum des Stützkörpers festlegbar.
Nach dem weiteren Befüllen des Hohlraums mit dem kristallisationsfähigem Medium und/oder dem weiteren Medium wird mindestens eine Verstärkungsfaserschicht aus Verstärkungsfasern auf wenigstens einen Bereich des Stützhohlkerns aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise als Gelege oder Geflecht.
Nach dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht wird das Matrixmaterial, vorzugsweise ein Kunststoffmatrixmaterial, vorzugsweise in einem Spritzpressprozess (RTM-Prozess) auf die Verstärkungsfaserschicht aufgebracht. Dabei kann auch Matrixmaterial auf den Stützhohlkern aufgebracht werden. Eine Kunststoffmatrix kann beispielsweise eine thermoplastische oder eine duroplastische Matrix sein. Die thermoplastische Matrix wird vorteilhaft für faserverstärkte Kunststoffbauteile verwendet, welche sich nachträglich umformen oder verschweißen lassen. So kann als thermoplastische Kunststoffmatrix beispielsweise Polysulfon, Polyphenylensulfid oder Polytetrafluorethen verwendet werden. Dagegen lassen sich faserverstärkte Kunststoffbauteil, welche eine duroplastische Kunststoffmatrix aufweisen, nach dem Aushärten bzw. Vernetzen der Kunststoffmatrix nicht mehr umformen. Sie weisen jedoch in Bezug auf die thermoplastische Kunststoffmatrix einen hohen Temperatureinsatzbereich auf. Als Material der duroplastischen Kunststoffmatrix dienen beispielsweise Epoxidharze, Vinylesterharze, Polyurethan, Phenol-Formaldehydharze oder auch Aminoharze.
Durch das anschließende Verflüssigen mindestens eines Teils des festen kristallisationsfähigen Mediums dehnt sich dieses aus. Wenn der Hohlraum keinen Platz für eine Ausdehnung des kristallisationsfähigen Mediums aufweist, z. B. da dieser komplett befüllt ist, erhöht sich durch den Übergang von dem festen in den flüssigen Zustand des kristallisationsfähigen Mediums der Innendruck im Hohlraum. Ein erhöhter Innendruck bewirkt wiederum eine Erhöhung des Faservolumengehalts der Verstärkungsfasern. Durch eine gezielte Erhöhung des Innendrucks des Hohlraums ist somit eine gezielte Verstärkungsfaserdichte erzeugbar. Eine gezielte Erhöhung des Innendrucks ist durch eine gezielte Befüllung des Hohlraums mit einer definierten Menge des kristallisationsfähigen Mediums erreichbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind somit auf einfache sowie kostengünstige Weise faserverstärkten Hohlbauteile erzeugbar, die ein reduziertes Eigengewicht sowie Verstärkungsfasern mit einem definierten Faservolumengehalt aufweisen.
Im Rahmen der Erfindung werden Stützhohlkerne nach dem erstmaligen Befüllen mit flüssigem kristallisationsfähigen Medium als teilgefüllte Stützhohlkerne und Stützhohlkerne nach dem weiteren Befüllen mit flüssigem kristallisationsfähigen Medium als komplett befüllte Stützhohlkerne bezeichnet. Es ist bevorzugt, dass das Befüllen des Hohlraums, das Verfestigen des kristallisationsfähigen Mediums und das weitere Befüllen des Hohlraums vor dem Anordnen des Stützhohlkerns in der Anlage erfolgt. Die teil- oder komplett befüllten Stützhohlkerne können beispielsweise bereits teil- bzw. komplett befüllt bereitgestellt und/oder zwischengelagert werden. Dies hat den Vorteil, dass das Befüllen der Stützhohlkerne und das Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht in unterschiedlichen Arbeitstaktgeschwindigkeiten erfolgen können.
Weiter bevorzugt wird der Hohlraum vor dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht vollständig oder im Wesentlichen vollständig mit kristallisationsfähigem Medium ausgefüllt. Somit ist ein besonders großer Innendruck im Hohlraum des Stützhohlkerns durch Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums erzeugbar.
Vorzugsweise wird das gesamte oder ein überwiegender Teil des in dem Hohlraum angeordneten kristallisationsfähigen Mediums verfestigt. Somit ist ein besonders großer Innendruck im Hohlraum des Stützhohlkerns durch Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums erzeugbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Stützhohlkern vor dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs auf die Verstärkungsfaserschicht auf eine Vorwärmtemperatur erwärmt, die niedriger ist als eine Umwandlungstemperatur, wobei das kristallisationsfähige Medium beim Überschreiten der Umwandlungstemperatur verflüssigt wird. Das kristallisationsfähige Medium liegt somit weiterhin im festen Zustand vor. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise eine Wärmezufuhr, die beim Härten des Matrixwerkstoffs erfolgt, zum Verflüssigen des vorgewärmten kristallisationsfähigen Mediums ausreicht. Das kristallisationsfähige Medium ist somit besser verflüssigbar. Auf diese Weise ist auch vermeidbar, dass nur Randbereiche des in den Hohlraum gefüllten kristallisationsfähigen Mediums beim Aushärten des Matrixwerkstoffs verflüssigt werden.
Dabei ist bevorzugt, dass die Vorwärmtemperatur höchstens 10°C unterhalb der Umwandlungstemperatur liegt. Somit wird sichergestellt, dass nach dem Vorwärmen zum Verflüssigen des mindestens einen Teils des festen kristallisationsfähigen Mediums eine relativ geringe Wärmemenge bereitgestellt werden muss. Somit kann beispielsweise eine zum Trocknen bzw. Aushärten des Matrixwerkstoffs bereitgestellte Wärmemenge zum Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums ausreichen.
Ebenfalls bevorzugt liegt die Vorwärmtemperatur mindestens 0,1°C unterhalb der Umwandlungstemperatur. Je näher die Vorwärmtemperatur an der Umwandlungstemperatur liegt, desto weniger Wärme ist nach dem Vorwärmen zum Verflüssigen des mindestens einen Teils des festen kristallisationsfähigen Mediums erforderlich. Somit kann beispielsweise eine zum Trocknen bzw. Aushärten des Matrixwerkstoffs bereitgestellte Wärmemenge zum Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums ausreichen.
Besonders bevorzugt wird der befüllte Stützhohlkern nach dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht auf die Vorwärmtemperatur erwärmt. Somit weist der Stützhohlkern beim Auftragen des Matrixwerkstoffs eine Temperatur auf, die geringfügig unterhalb der Umwandlungstemperatur liegt, so dass ein Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums unter Bereitstellung einer relativ geringen Menge Wärmeenergie möglich ist. Somit kann beispielsweise eine zum Trocknen bzw. Aushärten des Matrixwerkstoffs bereitgestellte Wärmemenge zum Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums ausreichen.
Vorteilhaft wird mittels einer Strahlungsvorrichtung eine thermische Strahlung zum Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums und/oder Aushärten des Matrixwerkstoffs auf den Stützhohlkern aufgebracht. Dies erfolgt nach dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs auf die Schicht aus Verstärkungsfasern. Durch die thermische Strahlung wird das kristallisationsfähige Medium verflüssigt. Als Strahlungsvorrichtung kann dabei eine Infrarotstrahlung oder auch eine Mikrowellenstrahlung oder auch ein elektrisches Heizelement oder Ähnliches zur Aussendung von thermischer Strahlung und insbesondere Wärmestrahlung verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Stützhohlkern nach dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht und vor dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs in eine Mantelform eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass eine äußere Mantelfläche der Verstärkungsfaserschicht nach außen begrenzt ist und sich nicht weiter ausdehnen kann. Auf diese Weise wird eine Formstabilität der Verstärkungsfaserschicht verbessert. Beim Ausdehnen des kristallisationsfähigen Mediums wird die Verstärkungsfaserschicht von dem Stützhohlkern gegen die Mantelform gepresst und komprimiert. Eine Mantelform hat den weiteren Vorteil, dass diese als Temperaturisolator oder als Wärmequelle zum Vorwärmen des Stützhohlkerns verwendbar sein kann. Ferner ist mittels der Mantelform ein Muster oder eine Prägung auf die äußere Fläche der mit Matrixwerkstoff imprägnierten Verstärkungsfaserschicht einbringbar. Vorzugsweise ist die Mantelform zum Speichern und/oder Leiten von Wärmeenergie ausgebildet. Weiter bevorzugt weist die Mantelform einen Wärmeisolator auf, um Verluste von Wärmeenergie zu reduzieren.
Vorzugsweise ist die Mantelform derart ausgebildet, dass eine Ausdehnung der auf dem Stützhohlkern aufgebrachten Verstärkungsfaserschicht vollständig oder zumindest teilweise verhindert wird. Dies hat den Vorteil, dass eine äußere Mantelfläche der Verstärkungsfaserschicht nach außen begrenzt ist und sich nicht ausdehnen kann. Auf diese Weise wird eine Formstabilität der Verstärkungsfaserschicht weiter verbessert. Beim Ausdehnen des kristallisationsfähigen Mediums wird die Verstärkungsfaserschicht von dem Stützhohlkern gegen die Mantelform gepresst und komprimiert.
Es kann vorgesehen sein, dass vor dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs auf die Schicht aus Verstärkungsfasern, der zumindest eine Schicht aus Verstärkungsfasern aufweisende Stützhohlkern der Anlage zum Aufbringen von Verstärkungsfasern entnommen und in einem Spritzpress-Werkzeug zum Aufbringen des Matrixwerkstoffs angeordnet wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Transportmittels. Das bedeutet, dass mittels wenigstens eines Transportmittels, wie beispielsweise eines Greifers oder eines Greifsystems einer Roboteranlage, der Stützhohlkern, welcher zumindest bereichsweise mit Verstärkungsfasern umflochten ist bzw. an welchem zumindest abschnittsweise Verstärkungsfasern bzw. Verstärkungsfasermatten angeordnet sind, zur Erzeugung des faserverstärkten Hohlbauteils aus der Anlage zum Aufbringen von Verstärkungsfasern, welche beispielsweise eine Flechtanlage ist, entnommen wird und zu einem Spritzpress-Werkzeug (RTM-Werkzeug) transportiert wird. Das kristallisationsfähige Medium bleibt weiterhin im festen bzw. kristallinen Zustand, so dass eine Deformierung des Stützhohlkerns bzw. eine Erhöhung der Verstärkungsfaserdichte während des Transportes von der Anlage zum Spritzpress-Werkzeug vermieden wird.
Vorteilhaft weist das kristallisationsfähige Medium Natriumacetat Trihydrat auf. Alternativ oder zusätzlich kann das kristallisationsfähige Medium Glaubersalz oder Alaun aufweisen. Es ist jedoch auch die Verwendung eines anderen Salzhydrates denkbar. Bei Natriumacetat-Trihydrat kristallisiert das Natriumacetat mit drei Mol Kristallwasser aus der wässrigen Lösung, wobei das Trihydrat dabei große farblose Kristalle bildet. Natriumacetat-Trihydrat ist gut wasserlöslich und verflüssigt sich ab 58°C im eigenen Kristallwasser. Bei höheren Temperaturen, wie beispielsweise ca. 120°C, verdampft dieses Kristallwasser, wobei ein kristallfreies Natriumacetat entsteht.
Vorzugsweise wird das kristallisationsfähige Medium nach dem Verflüssigen aus dem Hohlraum abgelassen. Hierdurch wird das Endgewicht des faserverstärkten Hohlbauteils reduziert. Hierfür werden vorzugsweise die verschlossenen Einlassöffnungen des Stützkerns geöffnet oder neue Öffnungen erzeugt, damit das verflüssigte kristallisationsfähige Medium aus dem Stützhohlkern ausfließen kann. Vorzugsweise wird der Stützhohlkern ebenfalls aus dem faserverstärkten Hohlbauteil entnommen. Dies ist dadurch möglich, dass der Stützhohlkern eine dünne, z. B. aus einem thermoplastischen Material bestehende Wandung aufweist, welche bei Aufbringen einer definierten Kraft sich derart deformiert, dass der Stützhohlkern selbst aus kleinsten Querschnitten bzw. Hohlräumen des Hohlbauteils entfernt bzw. herausgezogen werden kann beispielsweise ein Greifer bzw. ein Greifelement angewandt werden, welches die Wandung des Stützhohlkerns greift und aus dem Hohlraum des Hohlbauteils herauszieht. Die zur Erwärmung bzw. Verflüssigung des kristallisierten Mediums dienende Strahlungsvorrichtung kann gleichzeitig auch zur Aushärtung der Kunststoffmatrix verwendet werden, so dass eine Härtung der Kunststoffmatrix vorteilhaft parallel zu einem Ausschmelzen des Mediums erfolgt. Dadurch wird vorteilhaft Produktionszeit eingespart und folglich die Herstellkosten minimiert.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 in einer Prinzipskizze einen Stützhohlkern nach dem ersten Befüllen mit dem kristallisationsfähigen Medium;
2 in einer Prinzipskizze den Stützhohlkern aus 1 nach einem ersten Verfestigen des kristallisationsfähigen Mediums;
3 in einer Prinzipskizze den Stützhohlkern aus 2 nach einem weiteren Befüllen mit dem kristallisationsfähigen Medium;
4 in einer Prinzipskizze den Stützhohlkern aus 3 nach dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht;
5 in einer Prinzipskizze den Stützhohlkern aus 4 nach dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs;
6 in einer Prinzipskizze den Stützhohlkern aus 5 nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffs;
7 in einer Prinzipskizze einen in einer Mantelform angeordneten Stützhohlkern vor dem Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums;
8 in einer Prinzipskizze den Stützhohlkern aus 7 nach dem Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums; und
9 in einem Flussdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 9 jeweils mit denselben Bezugszeichen verstehen.
Der in 1 schematisch dargestellte Stützhohlkern 2 weist einen Hohlraum 3 auf, der vollständig mit einem kristallisationsfähigen Medium im flüssigen Zustand 4.1 befüllt ist. Das kristallisationsfähige Medium 4 weist im flüssigen Zustand eine Temperatur oberhalb einer Umwandlungstemperatur auf.
In 2 ist der Stützhohlkern 2 aus 1 abgebildet, wobei das Das kristallisationsfähige Medium 4 durch Abkühlung nunmehr als kristallisationsfähiges Medium im festen Zustand 4.2 vorliegt. Das kristallisationsfähige Medium 4 weist im festen Zustand eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur auf. Da das kristallisationsfähige Medium im festen Zustand 4.2 eine höhere Dichte als das kristallisationsfähige Medium im flüssigen Zustand 4.1 aufweist, weist der Hohlraum 3 in 2 einen weiter befüllbaren Freiraum 9 auf.
3 zeigt den Stützhohlkern 2 aus 2 nach weiterem Befüllen mit dem kristallisationsfähigen Medium 4, wobei das kristallisationsfähige Medium 4 als kristallisationsfähiges Medium im festen Zustand 4.2 vorliegt und den Hohlraum 3 komplett ausfüllt. In diesem Zustand kann eine Verstärkungsfaserschicht 5 aus Verstärkungsfasern 6 auf den Stützhohlkern 2 aufgebracht werden, ohne dass sich dieser hierdurch verformt. Ferner ist der Stützhohlkern 2 in diesem Zustand leicht von Greifwerkzeug ergreifbar und transportierbar, ohne dass sich dieser hierbei verformt.
4 zeigt den Stützhohlkern 2 aus 3 nach dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht 5 aus Verstärkungsfasern 6. Der Stützhohlkern 2 wurde hierdurch nicht verformt. Das kristallisationsfähige Medium 4 liegt weiterhin als kristallisationsfähiges Medium im festen Zustand 4.2 vor.
5 zeigt den Stützhohlkern 2 aus 4 nach dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs 7. Das kristallisationsfähige Medium 4 liegt weiterhin als kristallisationsfähiges Medium im festen Zustand 4.2 vor.
6 zeigt den Stützhohlkern 2 aus 5 nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffs 7. Beim Aushärten des Matrixwerkstoffs 7 werden der Matrixwerkstoff 7, die Verstärkungsfaserschicht 5 und der befüllte Stützhohlkern 2 mit Wärmeenergie, wie z. B. Wärmestrahlung, beaufschlagt. Hierdurch wird das kristallisationsfähige Medium 4, das bislang als kristallisationsfähiges Medium im festen Zustand 4.2 vorlag auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erhitzt und somit verflüssigt. Da das kristallisationsfähige Medium im flüssigen Zustand 4.1 eine geringere Dichte als das kristallisationsfähige Medium im festen Zustand 4.2 aufweist, dehnt sich das kristallisationsfähige Medium 4 beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand aus. Da das kristallisationsfähige Medium 4 den Hohlraum 3 komplett ausfüllt, erhöht sich hierdurch ein Innendruck im Hohlraum 3. Durch den Innendruck dehnt sich der Stützhohlkern 2 aus und komprimiert die Verstärkungsfaserschicht 5. Daher weist die Verstärkungsfaserschicht 5 in 6 eine geringere Dicke als in 5 auf. Aus der mit Matrixwerkstoff 7 imprägnierten sowie komprimierten Verstärkungsfaserschicht 5 ist nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffs 7 ein Hohlbauteil 1 entstanden.
7 zeigt einen in einer Mantelform 8 angeordneten Stützhohlkern 2 vor dem Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums 4. Der Stützhohlkern 2 weist eine mit Matrixwerkstoff imprägnierte Verstärkungsfaserschicht 5 aus Verstärkungsfasern 6 auf. Die Mantelform 8 weist ein Mantelformoberteil 8.1 und ein Mantelformunterteil 8.2, die auseinanderfahrbar sind, um das fertige Hohlbauteil 1 (vgl. 8) aus der Mantelform 8 zu entnehmen. Die Mantelform 8 ist zum Aufbringen des Matrixwerkstoffs 7 zusammen mit dem die Verstärkungsfaserschicht 5 aufweisenden Stützhohlkern 2 in einer Anlage zum Aufbringen von Matrixwerkstoff 7 bzw. in einem entsprechenden Werkzeug anordenbar. 7 zeigt die Mantelform 8 mit Stützhohlkern 2 nach dem Aufbringen von Matrixwerkstoff 7.
8 zeigt die Mantelform 8 aus 7 nach dem Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums 4. Das kristallisationsfähige Medium im flüssigen Zustand 4.1 weist ein größeres spezifisches Volumen als das kristallisationsfähige Medium im festen Zustand 4.2 auf und drückt über den Stützhohlkern 2 die Verstärkungsfaserschicht 5 gegen die Mantelform 8. Da die Mantelform 8 nicht nachgiebig ist, wird hierdurch die Verstärkungsfaserschicht 5 komprimiert. Das Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums 4 läuft parallel zum Aushärten des Matrixwerkstoffs 7 durch Wärmezufuhr ab. Nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffs 7 ist das kristallisationsfähige Medium im flüssigen Zustand 4.1 aus dem Hohlraum 3 ablassbar. Die Mantelform 8 kann durch Auseinanderbewegen von Mantelformoberteil 8.1 und Mantelformunterteil 8.2 geöffnet werden. Vorzugsweise ist der Stützhohlkern 2 dem erzeugten Hohlbauteil 1 entnehmbar, um das Gewicht des Hohlbauteils weiter zu reduzieren.
9 zeigt in einem Flussdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils 1. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird ein einen Hohlraum 3 aufweisender Stützhohlkern 2 innerhalb einer Anlage zum Aufbringen von Verstärkungsfasern 6 auf wenigstens einen Bereich des Stützhohlkerns 2 angeordnet.
In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Hohlraum 3 mit einem kristallisationsfähigem Medium 4, 4.1, 4.2 zur Stabilisierung einer Wandung des Stützhohlkerns 2 befüllt, wobei das kristallisationsfähige Medium 4, 4.1, 4.2 in einem festen Zustand eine höhere Dichte als in einem flüssigen Zustand aufweist. Vorzugsweise weist das kristallisationsfähige Medium 4 beim Befüllen eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur auf.
In einem dritten Verfahrensschritt 300 wird zumindest ein Teil des kristallisationsfähigen Mediums 4, 4.1, 4.2 verfestigt. Dies erfolgt beispielsweise durch Abkühlung des kristallisationsfähigen Mediums 4 auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur.
In einem vierten Verfahrensschritt 400 erfolgt ein weiteres Befüllen des Hohlraums 3 mit dem kristallisationsfähigem Medium 4, 4.1, 4.2 und/oder einem weiteren Medium derart, dass eine in den Hohlraum 3 eingefüllte Gesamtmenge des kristallisationsfähigen Mediums 4, 4.1, 4.2 im flüssigen Zustand zusammen mit einer in den Hohlraum 3 eingefüllten Gesamtmenge des weiteren Mediums ein größeres Volumen als der Hohlraum 3 aufweisen.
In einem fünften Verfahrensschritt 500 wird zumindest eine Verstärkungsfaserschicht 5 aus Verstärkungsfasern 6 auf wenigstens einen Bereich des Stützhohlkerns 2 aufgebracht, z. B. durch Wickeln und/oder Flechten.
In einem sechsten Verfahrensschritt 600 wird ein aushärtender Matrixwerkstoff 7 auf die Verstärkungsfaserschicht 5 aufgebracht. Dies erfolgt vorzugsweise mittels einer Spritzgießanlage.
In einem siebten Verfahrensschritt 700 wird mindestens ein Teils des festen kristallisationsfähigen Mediums 4, 4.1, 4.2 nach dem Aufbringen des aushärtenden Matrixwerkstoffs 7 auf die Verstärkungsfaserschicht 5 derart verflüssigt, dass ein Innendruck in dem Hohlraum 3 erhöht wird. Durch den erhöhten Innendruck wird die Verstärkungsfaserschicht 5 beim Aushärten des Matrixwerkstoffs 7 komprimiert.
Bezugszeichenliste

1: Hohlbauteil
2: Stützhohlkern
3: Hohlraum
4: kristallisationsfähiges Medium
4.1: kristallisationsfähiges Medium im flüssigen Zustand
4.2: kristallisationsfähiges Medium im festen Zustand
5: Verstärkungsfaserschicht
6: Verstärkungsfaser
7: Matrixwerkstoff
8: Mantelform
8.1: Mantelformoberteil
8.2: Mantelformunterteil
9: Freiraum
100: erster Verfahrensschritt
200: zweiter Verfahrensschritt
300: dritter Verfahrensschritt
400: vierter Verfahrensschritt
500: fünfter Verfahrensschritt
600: sechster Verfahrensschritt
700: siebter Verfahrensschritt

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Hohlbauteils (1), aufweisend die Schritte: – Anordnen eines Stützhohlkerns (2) mit einem Hohlraum (3) innerhalb einer Anlage zum Aufbringen von Verstärkungsfasern (6) auf wenigstens einen Bereich des Stützhohlkerns (2); – Befüllen des Hohlraums (3) mit einem kristallisationsfähigem Medium (4, 4.1, 4.2) zur Stabilisierung einer Wandung des Stützhohlkerns (2), wobei das kristallisationsfähige Medium (4, 4.1, 4.2) in einem festen Zustand eine höhere Dichte als in einem flüssigen Zustand aufweist; – Verfestigen zumindest eines Teils des kristallisationsfähigen Mediums (4, 4.1, 4.2); – Weiteres Befüllen des Hohlraums (3) mit dem kristallisationsfähigem Medium (4, 4.1, 4.2) und/oder einem weiteren Medium derart, dass eine in den Hohlraum (3) eingefüllte Gesamtmenge des kristallisationsfähigen Mediums (4, 4.1, 4.2) im flüssigen Zustand zusammen mit einer in den Hohlraum (3) eingefüllten Gesamtmenge des weiteren Mediums ein größeres Volumen als der Hohlraum (3) aufweisen; – Aufbringen zumindest einer Verstärkungsfaserschicht (5) aus Verstärkungsfasern (6) auf wenigstens einen Bereich des Stützhohlkerns (2); – Aufbringen eines aushärtenden Matrixwerkstoffs (7) auf die Verstärkungsfaserschicht (5); und – Verflüssigen mindestens eines Teils des festen kristallisationsfähigen Mediums (4, 4.1, 4.2) nach dem Aufbringen aushärtenden Matrixwerkstoffs (7) auf die Verstärkungsfaserschicht (5) derart, dass ein Innendruck in dem Hohlraum (3) erhöht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen des Hohlraums (3), das Verfestigen des kristallisationsfähigen Mediums (4, 4.1, 4.2) und das weitere Befüllen des Hohlraums (3) vor dem Anordnen des Stützhohlkerns (2) in der Anlage erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (3) vor dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht (5) vollständig oder im Wesentlichen vollständig mit kristallisationsfähigen Medium (4, 4.1, 4.2) ausgefüllt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte oder ein überwiegender Teil des in dem Hohlraum (3) angeordneten kristallisationsfähigen Mediums (4, 4.1, 4.2) verfestigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützhohlkern (2) vor dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs (7) auf die Verstärkungsfaserschicht (5) auf eine Vorwärmtemperatur erwärmt wird, die niedriger ist als eine Umwandlungstemperatur, wobei das kristallisationsfähige Medium (4, 4.1, 4.2) beim Überschreiten der Umwandlungstemperatur verflüssigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur höchstens 10°C unterhalb der Umwandlungstemperatur liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmtemperatur mindestens 0,1°C unterhalb der Umwandlungstemperatur liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der befüllte Stützhohlkern (2) nach dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht (5) auf die Vorwärmtemperatur erwärmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff (7) durch Wärmezufuhr zumindest teilweise ausgehärtet wird, wobei zumindest ein Teil des kristallisationsfähigen Mediums (4, 4.1, 4.2) durch diese Wärmezufuhr verflüssigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Strahlungsvorrichtung eine thermische Strahlung zum Verflüssigen des kristallisationsfähigen Mediums (4, 4.1, 4.2) und/oder Aushärten des Matrixwerkstoffs auf den Stützhohlkern (2) aufgebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützhohlkern (2) nach dem Aufbringen der Verstärkungsfaserschicht (5) und vor dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs (7) in eine Mantelform (8) eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelform (8) derart ausgebildet ist, dass eine Ausdehnung der auf dem Stützhohlkern (2) aufgebrachten Verstärkungsfaserschicht (5) vollständig oder zumindest teilweise verhindert wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Matrixwerkstoffs auf die Schicht aus Verstärkungsfasern, der zumindest eine Schicht aus Verstärkungsfasern aufweisende Stützhohlkern der Anlage zum Aufbringen von Verstärkungsfasern entnommen und in einem Spritzpress-Werkzeug zum Aufbringen des Matrixwerkstoffs angeordnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kristallisationsfähige Medium (4, 4.1, 4.2) Natriumacetat Trihydrat aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kristallisationsfähige Medium (4, 4.1, 4.2) nach dem Verflüssigen aus dem Hohlraum (3) abgelassen wird.