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WO2017067934A1 - Verfahren zum herstellen eines bauteils aus einem faserverbundwerkstoff - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines bauteils aus einem faserverbundwerkstoff Download PDF

Info

Publication number
WO2017067934A1
WO2017067934A1 PCT/EP2016/074988 EP2016074988W WO2017067934A1 WO 2017067934 A1 WO2017067934 A1 WO 2017067934A1 EP 2016074988 W EP2016074988 W EP 2016074988W WO 2017067934 A1 WO2017067934 A1 WO 2017067934A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
press
membrane
mold
organic sheet
sheet
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/074988
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lothar Sebastian
Klaus Schürmann
Michael SCHÖLER
Original Assignee
Siempelkamp Maschinen- Und Anlagenbau Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siempelkamp Maschinen- Und Anlagenbau Gmbh filed Critical Siempelkamp Maschinen- Und Anlagenbau Gmbh
Priority to EP16782256.8A priority Critical patent/EP3365158A1/de
Priority to CA3001945A priority patent/CA3001945A1/en
Priority to JP2018520142A priority patent/JP6689377B2/ja
Priority to BR112018007957-0A priority patent/BR112018007957B1/pt
Priority to US15/763,171 priority patent/US20180281319A1/en
Priority to CN201680061105.5A priority patent/CN108349174B/zh
Publication of WO2017067934A1 publication Critical patent/WO2017067934A1/de

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    • B32B2309/12—Pressure

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a (three-dimensional) component from a fiber composite material by forming a (two-dimensional) thermoplastic organic sheet.
  • Organic sheet means in the context of the invention a plate-shaped (consolidated) semi-finished product, which consists of fibers which are embedded in a matrix of thermoplastic material.
  • the fibers can be in the form of continuous fibers or long fibers, for example in the form of a fiber fabric or fiber fabric.
  • the fibers may be, for example, carbon fibers, glass fibers or aramid fibers.
  • Such organo sheets are used as fiber composites for the production of components (eg lightweight construction) for aerospace engineering (eg aircraft construction) and for vehicle technology (eg in the automotive industry).
  • thermoplastic fiber matrix such organic sheets can be shaped similarly to metal sheets (warm), so that methods of sheet metal processing are used in practice in the processing of organic sheets or in the production of components from such sheets.
  • DE 10 201 1 1 15 730 A1 describes a method for forming thermoplastic fiber semi-finished with oriented fibers to three-dimensionally shaped thermoplastic semi-finished products with defined degrees of orientation, which formed as an organic sheet semi-finished fiber plate heated by a heater to a temperature below a softening temperature of the thermoplastic is, wherein the semi-finished fiber plate is positioned on a mold module, which images the three-dimensional shape. Subsequently, a fluid is introduced into the mold
  • DE 198 59 798 C1 describes the production of shaped bodies from fiber composite materials by the so-called prepreg method.
  • thin layers of fibers embedded in partially cured resin are laminated until a preform of the molded article is formed.
  • this preform is cured under mechanical pressure with simultaneous action of a vacuum to remove air bubbles from the preform by heating.
  • This is typically done in an autoclave in which the preform rests on a negative mold and is covered by a flexible membrane. The flexible membrane is sealed against the negative mold.
  • the so-called vacuum bag between the preform of the membrane nor a layer of fabric material is arranged, which serves to receive excess resin and to form a vacuum zone, the so-called vacuum bag.
  • the area of the vacuum bag is connected to a vacuum source.
  • DE 198 59 798 C1 describes a process for the production of shaped bodies from fiber composite materials, which is based on an RTM process.
  • a fiber mat is applied and the fiber mat is covered with a flexible membrane.
  • the membrane is circumferentially sealed against the negative mold around the fiber mat and the space thus sealed between the
  • Negativfornn and the membrane is evacuated and on the back of the membrane facing away from the negative mold, a static pressure is applied. Then, in the space between the negative mold and the membrane, an amount of liquid resin having an injection pressure larger than the back pressure of the membrane is injected. The resin is heated by the heated negative mold under the influence of the overpressure on the back of the membrane and at least partially cured. The overpressure on the back of the membrane is then drained off and the molded body is removed from the mold with the fiber mat embedded in the at least partially cured resin.
  • the negative mold can be heated continuously and the membrane can be cooled on its back.
  • Composite body having a structure of uncompacted layers reinforcing fibers embedded in a matrix in a membrane press.
  • the invention has for its object to provide a method for producing (lightweight) components made of fiber composites with high quality and high stability.
  • the invention teaches a method for producing a component from a fiber composite material by forming a thermoplastic organic sheet in a membrane press,
  • a mold is / is arranged, wherein at least one organo sheet is placed as a workpiece on or on the mold, wherein an elastically extensible membrane is biased stretched over the mold with the interposition of the organic sheet and wherein the organo sheet is formed to form the component in that an overpressure is applied to the membrane on the side facing the mold and to an overpressure on the side remote from the mold so that the organic sheet forms on the mold.
  • the invention is based on the recognition that three-dimensional fiber composite components with high stability and high accuracy can be produced economically from organo sheets in a membrane press, such organo sheets as (two-dimensional) plate-shaped consolidated semi-finished available and outstanding in the membrane press using Pressure and heat can be transformed into three-dimensional structures that can be used, for example, in aircraft construction, vehicle construction or the like. It is - in contrast to conventional prepreg process - not worked with only partially cured mats, but with consolidated semi-finished products in the form of organo sheets, so that no injection of liquid resins or the like takes place in the press.
  • an organo sheet is particularly preferably used as a prefabricated semifinished product, which consists of a plurality of organic sheet layers, which are folded together before being placed in the press and possibly joined together.
  • a prefabricated semifinished product which consists of a plurality of organic sheet layers, which are folded together before being placed in the press and possibly joined together.
  • very stable components can be produced, which can also have a certain thickness or wall thickness.
  • perfect forming is possible because a (highly) elastically extensible membrane is clamped in the press,
  • thermoplastics for example polyetheretherketone (PEEK) or polyphenylene sulphide (PPS), are particularly preferably used as the thermoplastic material.
  • PEEK polyetheretherketone
  • PPS polyphenylene sulphide
  • PP polypropylene
  • PA polyamide
  • TPU polyurethane
  • the respective organic sheet it is expedient to heat the respective organic sheet to a temperature above the glass transition temperature.
  • the organo sheet it may be appropriate to the organo sheet to a temperature of more than 180 ° C, z. B. more than 200 ° C to heat.
  • thermoplastic material it is expedient to heat the mold or at least its surface facing the organic sheet before and / or during the forming.
  • the pressure medium with which the membrane is acted upon for example a compressed gas, is heated in order to optimize the heat input and to improve the hot working.
  • a negative pressure is applied to the side of the membrane facing the mold, but the opposite side of the membrane is also subjected to an overpressure, with an overpressure of at least 10 bar, for example at least 20 bar, being particularly preferred.
  • an overpressure of at least 10 bar, for example at least 20 bar, being particularly preferred.
  • the membrane may also be attached to the press upper part elastically biased and then stretched over the mold in the course of closing the press.
  • membranes made of rubber can be used.
  • the invention recommends the use of a membrane made of a highly elastic and at the same time temperature-resistant material, for example silicone or silicone-based material.
  • a membrane made of a highly elastic and at the same time temperature-resistant material for example silicone or silicone-based material.
  • the membrane preferably has a thickness of at least 1 mm, more preferably at least 2 mm.
  • a prefabricated semifinished product made of a plurality of organic sheet layers or a multiplicity of organic sheet layers is particularly preferably used as organic sheet, which are combined before being placed in the press and possibly joined together. It is within the scope of the invention to combine the organic sheet layers individually and to press together. Preferably, however, the organic sheet layers are previously bonded to each other (in a desired arrangement), for example by welding and / or gluing, in which case an intimate connection subsequently takes place in the course of forming in the membrane press. Alternatively, it is within the scope of the invention to connect the individual organic sheet layers in a pre-press to a uniform organic sheet.
  • a multiplicity of layers can be used, for example at least five layers, preferably at least ten layers.
  • more than twenty layers can also be joined together to form an organic sheet.
  • an oblique edge geometry can be produced by the deformation, and vice versa, a straight edge geometry can be achieved by an oblique arrangement of the individual layers in the edge region.
  • a straight edge geometry can be achieved by an oblique arrangement of the individual layers in the edge region.
  • the invention also relates to a press for producing a component from a fiber composite material according to a method of the type described.
  • a press is constructed as a membrane press, which has a press lower part, on / on which a mold is arranged and which presses a press
  • Upper part has, which has a sealable against the press base pressure case.
  • a membrane is provided, which can be tensioned over the form.
  • the press has at least one pressing cylinder which acts on the press upper part and / or the lower press part.
  • the press has a vacuum pump with which on the one side of the membrane, for example the underside, a negative pressure can be generated and an overpressure pump with which on the other side of the membrane, an overpressure can be generated.
  • the press can be designed so that the mold or the press base are heated and thus equipped like a heater.
  • the press is designed so that the pressure medium, with which the membrane is acted upon, can be heated, for example by a heating device in the region of the feed for the pressure medium is arranged.
  • the membrane is attached to the press base and clamped over the mold.
  • the membrane is attached to the press upper part, for example to the pressure box, elastically biased.
  • FIG. 1 shows a membrane press according to the invention in a simplified form
  • FIG. 2 shows the object according to FIG. 1 in another functional position
  • FIG. 3 shows a modified embodiment of the press according to FIG. 1
  • FIG. 4 shows the press according to FIG. 3 in another functional position
  • FIG. 5 shows a forming process of a multi-layered organic sheet
  • a membrane press 1 for the production of a component made of a fiber composite material is shown.
  • a component made of a fiber composite material by forming a thermoplastic organic sheet 2 is produced.
  • the membrane press 1 has a press lower part 3, which is designed as a press table, on which a mold 4 is arranged as a negative mold of the component to be produced.
  • the press 1 a press upper part 5, which has a sealable against the press base 3 hood-like pressure box 6.
  • the lower, on the press table settable circumferential end face 7 of the pressure box 6 is provided with a circumferential seal 8.
  • the press upper part 5 acts a pressing cylinder 9, wherein in the exemplary embodiment, the piston 10 of the pressing cylinder 9 is connected to the pressure box 6, so that the pressure box 6 with the cylinder 9 and its piston 10 is pressed against the press base 3.
  • the membrane press 1 is equipped with an elastically extensible membrane 1 1, which is clamped on the mold 4.
  • a vacuum pump 12 is provided, which is connected in the embodiment of the press base 3.
  • a pressure pump 13 is provided in the
  • this organic sheet is placed on the mold 4 and the membrane 1 1 is stretched and biased with the interposition of the orange plate 2 on the mold 4.
  • the organo sheet is formed to form the component by the membrane 1 1 is acted upon on the side facing the mold 4 via the vacuum pump 12 with a negative pressure and on the side facing away from the mold 4 with the pressure pump 13 is acted upon by an overpressure, so that the organo sheet 2 forms the shape 4 to form the component.
  • the organic sheet 2 is heated prior to insertion into the press 1.
  • the mold 4 or at least its surface facing the organic sheet 2 is heated before and / or during the forming process.
  • a heater 14 is indicated in the figures. The heaters for heating the organic sheet and heating the mold are not shown.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of such a membrane press, in which the membrane 1 1 attached to the press base 3 and stretched over the mold 4.
  • Fig. 1 shows the press, after the organic sheet 2 is placed on the mold 4 and the membrane 1 1 was stretched over the mold 4 with the interposition of the organic sheet 2.
  • the press upper part 5 was lowered after inserting the organo sheet 2 and after tensioning the membrane 1 1 on the press base 3 and
  • the negative pressure can be generated with the vacuum pump 12 before and / or after lowering the press upper part. After the press upper part 5 has been lowered and sealed against the press lower part 3, the interior of the pressure box 6 is subjected to the overpressure. It can be provided that the pressing pressure generated by the cylinder 9, with which the membrane press is kept in self-building up internal pressure, successively increased with the structure of the internal pressure and thus adjusted. 2 shows the press after completion of the overpressure and the vacuum with reshaped organo sheet 2.
  • FIG. 3 and 4 show a modified embodiment of such a membrane press, in which the membrane is not attached to the press base 3, but on the press upper part 5, namely on the pressure box 6 and is resiliently biased (Fig. 3).
  • the pressure case 6 is lowered while the membrane with the interposition of the organic sheet 2 over the form stretched (Fig. 4).
  • the press has been closed, on the one hand the negative pressure and on the other hand the overpressure are built up and thus the organo sheet 2 is reshaped and the component is produced.
  • the organic sheet 2 may consist of a plurality of individual organic sheet layers 2a, which are combined to form the organo sheet 2 and formed in the press.
  • the layers 2a can be matched in their geometry to one another such that the individual layers 2a shift in the course of forming with changing the edge geometry of the component against each other. This option is shown in FIGS. 5 and 6. According to FIG. 5, the individual layers 2a are combined to form an organic sheet 2 with straight edges. In the course of forming it comes to a
  • FIG. 6 shows an embodiment in which the individual layers 2 a of the organic sheet 2 are not flush over one another, but form oblique edges, so that in the course of forming a component with straight edges without bevels arises.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen eines thermoplastischen Organoblechs (2) in einer Membranpresse (1), wobei in der Membranpresse (1) eine Form (4) angeordnet ist oder angeordnet wird, wobei zumindest ein Organoblech (2) als Werkstück auf oder an die Form gelegt wird und wobei eine elastisch dehnbare Membran (11) unter Zwischenschaltung des Organoblechs (2) über die Form (4) gedehnt vorgespannt wird. Dabei wird das Organoblech (2) unter Bildung des Bauteils umgeformt wird, indem die Membran (11) auf der der Form zugewandten Seite mit einem Unterdruck und auf der der Form abgewandten Seite mit einem Überdruck beaufschlagt wird, so dass sich das Organoblech (2) an die Form anformt.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines (dreidimensionalen) Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen eines (zweidimensionalen) thermoplastischen Organoblechs. Organoblech meint im Rahmen der Erfindung ein plattenförmiges (konsolidiertes) Halbzeug, welches aus Fasern besteht, die in eine Matrix aus thermoplastischem Kunststoff eingebettet sind. Die Fasern können als Endlosfasern oder Langfasern vorliegen, zum Beispiel in Form eines Fasergewebes oder Fasergeleges. Bei den Fasern kann es sich zum Beispiel um Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Aramidfasern handeln. Solche Organobleche werden als Faserverbundwerkstoffe für die Herstellung von Bauteilen (z. B. Leichtbau) für die Luft- und Raumfahrttechnik (z. B. den Flugzeugbau) und für die Fahrzeugtechnik (z. B. im Automobilbau) eingesetzt. Durch die thermoplastische Fasermatrix lassen sich solche Organobleche ähnlich wie Metallbleche (warm) umformen, so dass in der Praxis bei der Verarbeitung von Organoblechen bzw. bei der Herstellung von Bauteilen aus solchen Organoblechen auf Methoden der Metallblechverarbeitung zurückgegriffen wird. So beschreibt zum Beispiel die DE 10 201 1 1 15 730 A1 ein Verfahren zum Umformen von thermoplastischen Faserhalbzeugplatten mit orientierten Fasern zu dreidimensional geformten thermoplastischen Halbzeugen mit definierten Orientierungsgraden, wobei die als Organoblech ausgebildete Faserhalbzeugplatte durch eine Heizvorrichtung auf eine Temperatur unterhalb einer Erweichungstemperatur des Thermoplasten erwärmt wird, wobei die Faserhalbzeugplatte auf einem Formmodul positioniert wird, das die dreidimensionale Form abbildet. Anschließend wird ein Fluid in die Form-
kammer zugeführt und dadurch die erwärmte Faserhalbzeugplatte an das Formmodul angepresst und hierdurch zu dem dreidimensional geformten thermoplastischen Halbzeug umgeformt. Weitere Verfahren zur Verarbeitung von Organoblechen bzw. von Bauteilen aus solchen Organoblechen werden zum Beispiel in der DE 10 2013 105 080 A1 , der DE 10 201 1 1 1 1 233 A1 und der DE 10 201 1 1 1 1 232 A1 beschrieben.
Alternativ wird in der DE 198 59 798 C1 die Herstellung von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen durch das sogenannte Prepreg-Verfahren beschrieben. Dabei werden dünne Lagen von in teilausgehärtetem Harz eingebetteten Fasern laminiert, bis eine Vorform des Formkörpers entstanden ist. Anschließend wird diese Vorform unter mechanischem Druck bei gleichzeitiger Einwirkung eines Vakuums zum Abziehen von Luftblasen aus der Vorform durch Erwärmen ausgehärtet. Dies geschieht typischerweise in einem Autoklaven, in dem die Vorform auf einer Negativform aufliegt und von einer flexiblen Membran abgedeckt wird. Die flexible Membran ist gegenüber der Negativform abgedichtet. Dabei ist zwischen der Vorform der Membran noch eine Schicht aus Gewebematerial angeordnet, die zum Aufnehmen von überschüssigem Harz und zur Ausbildung einer Vakuumzone, des sogenannten Vakuumsacks dient. Der Bereich des Vakuumsacks ist an einer Vakuumquelle angeschlossen.
Davon ausgehend wird in der DE 198 59 798 C1 ein Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus Faserverbundwerkstoffen beschrieben, das auf einem RTM-Verfahren aufbaut. Auf eine steife Negativform wird eine Fasermatte aufgebracht und die Fasermatte wird mit einer flexiblen Membran abgedeckt. Die Membran wird gegenüber der Negativform um die Fasermatte umlaufend abgedichtet und der derart abgedichtete Zwischenraum zwischen der
Negativfornn und der Membran wird evakuiert und auf der der Negativform abgekehrten Rückseite der Membran wird ein statischer Überdruck aufgebracht. Dann wird in den Zwischenraum zwischen der Negativform und der Membran eine Menge flüssigen Harzes mit einem Injektionsdruck injiziert, der größer ist als der Überdruck auf der Rückseite der Membran. Das Harz wird durch die beheizte Negativform unter Einwirkung des Überdrucks auf der Rückseite der Membran erwärmt und zumindest teilweise ausgehärtet. Der Überdruck auf der Rückseite der Membran wird dann abgelassen und der Formkörper mit der in das zumindest teilweise ausgehärtete Harz eingebetteten Fasermatte entformt. Die Negativform kann dabei kontinuierlich beheizt werden und die Membran kann auf ihrer Rückseite gekühlt werden.
Ähnliche Verfahren, bei denen mit einer Membranpresse gearbeitet und ein Harz in den Formraum injiziert wird, werden zum Beispiel in der EP 1 420 940 B1 oder der DE 694 09 618 T2 beschrieben.
Die DE 40 40 746 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verdichten eines
Verbundmaterialkörpers mit einer Struktur aus unverdichteten Schichten verstärkenden Fasern, die in eine Matrix eingebettet sind, in einer Membranpresse.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von (Leicht-)Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit hoher Qualität und hoher Stabilität zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen eines thermoplastischen Organoblechs in einer Membranpresse,
wobei in der Membranpresse eine Form angeordnet ist/wird, wobei zumindest ein Organoblech als Werkstück an oder auf die Form gelegt wird, wobei eine elastisch dehnbare Membran unter Zwischenschaltung des Organoblechs über die Form gedehnt vorgespannt wird und wobei das Organoblech unter Bildung des Bauteils umgeformt wird, indem die Membran auf der der Form zugewandten Seite mit einem Unterdruck und auf der der Form abgewandten Seite mit einem Überdruck beaufschlagt wird, so dass sich das Organoblech an die Form anformt.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass sich dreidimensionale Faserverbundbauteile mit hoher Stabilität und hoher Genauigkeit wirtschaftlich aus Organoblechen in einer Membranpresse herstellen lassen, wobei solche Organobleche als (zweidimensionale) plattenförmige konsolidierte Halbzeuge zur Verfügung stehen und sich in der Membranpresse hervorragend unter Anwendung von Druck und Wärme zu dreidimensionalen Strukturen umformen lassen, die zum Beispiel im Flugzeugbau, Fahrzeugbau oder dergleichen einsetzbar sind. Dabei wird - im Gegensatz zu herkömmlichen Prepreg- Verfahren - nicht mit lediglich teilausgehärteten Matten, sondern mit konsolidierten Halbzeugen in Form von Organoblechen gearbeitet, so dass auch kein Injizieren flüssiger Harze oder dergleichen in die Presse erfolgt. Besonders bevorzugt wird dabei ein Organoblech als vorgefertigtes Halbzeug verwendet, das aus mehreren Organoblechlagen besteht, die vor dem Einlegen in die Presse zusammengelegt und gegebenenfalls miteinander verbunden werden. Auf diese Weise lassen sich sehr stabile Bauteile herstellen, die auch eine gewisse Dicke bzw. Wandstärke aufweisen können. Dennoch gelingt im Rahmen der Erfindung in der Membranpresse eine einwandfreie Umformung, da in die Presse eine (hoch-)elastisch dehnbare Membran eingespannt ist,
welche unter Zwischenschaltung des Organoblechs elastisch gedehnt und über die Form gespannt wird. Durch das Anlegen von Unterdruck einerseits und Überdruck andererseits erfolgt dann eine einwandfreie Umformung, wobei sich die hochelastische Membran stark dehnt und einwandfrei an die gewünschte Kontur bzw. unter Zwischenschaltung des Organoblechs an die Kontur der Form anlegt. Durch das Anlegen von Unterdruck einerseits und (sehr hohem) Überdruck andererseits gelingt die Umformung konsolidierter Organobleche zu Bauteilen mit komplexer Struktur und kleinen Radien, so dass sich zum Beispiel auch U-förmige Profile mit und ohne Hinterschneidung einwandfrei herstellen lassen. Über hohe Drücke in der Membranpresse wird eine einwandfreie Entlüftung des Werkstücks gewährleistet, so dass Porenbildungen vermieden bzw. Poren entfernt werden können. Insgesamt zeichnen sich die hergestellten Bauteile durch sehr hohe Oberflächenqualität und hohe Stabilität aus. Auf diese Weise können zum Beispiel hochstabile, leichte Bauteile für den Flugzeugbau, zum Beispiel für Tragflächen bzw. Tragflächenteile hergestellt werden. Beispielsweise können Profile hergestellt werden, die als Bestandteil von Landeklappen zum Einsatz kommen können. Bevorzugt werden Organobleche eingesetzt, deren Fasern als Carbonfasern, Glasfasern und/oder Aramidfasern ausgebildet sind. Als thermoplastischer Kunststoff kommen besonders bevorzugt hochtemperaturbeständige thermoplastische Kunststoffe, zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfid (PPS) zum Einsatz. Alternativ können jedoch auch Polypropylen (PP), Polyamid (PA) oder Polyurethan (TPU) verwendet werden, je nach Anforderungen und Einsatzgebiet.
Im Zuge der Herstellung ist es zweckmäßig, das Organoblech vor und/oder nach dem Einlegen in die Presse zu erwärmen, um den Umformvorgang zu
optimieren. Dabei ist es zweckmäßig, das jeweilige Organoblech auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur zu erwärmen. Je nach Organoblech bzw. je nach thermoplastischem Kunststoff kann es zweckmäßig sein, das Organoblech auf eine Temperatur von mehr als 180 °C, z. B. mehr als 200 °C zu erwärmen.
Alternativ oder ergänzend ist es zweckmäßig, die Form oder zumindest deren dem Organoblech zugewandte Oberfläche vor und/oder während der Umformung zu erwärmen. Hier kann es ebenfalls zweckmäßig sein, die Form bzw. deren Oberfläche auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs zu erwärmen, zum Beispiel auf eine Temperatur von mehr als 180 °C, z. B. mehr als 200 °C.
Außerdem ist es alternativ oder ergänzend besonders vorteilhaft, wenn auch das Druckmedium, mit dem die Membran beaufschlagt wird, zum Beispiel ein Druckgas, erwärmt wird, um den Wärmeeintrag zu optimieren und die Warmumformung zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird nicht nur ein Unterdruck auf der der Form zugewandten Seite der Membran angelegt, sondern die abgewandte Seite der Membran wird außerdem mit einem Überdruck beaufschlagt, wobei besonders bevorzugt ein Überdruck von zumindest 10 bar, zum Beispiel zumindest 20 bar erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß wird folglich mit hohen Drücken gearbeitet, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass konsolidierte Organobleche verarbeitet bzw. umgeformt werden.
Dazu wird nicht - wie bei Membranpressen für die Verarbeitung von Prepregs oder für die Injektion von Harz üblich - mit einem Vakuumsack gearbeitet, sondern die hochelastische Membran wird über die Form gespannt. So kann sie
zum Beispiel am Pressenunterteil befestigt und über die Form gespannt werden. Alternativ kann die Membran jedoch auch an dem Pressenoberteil elastisch vorgespannt befestigt sein und dann im Zuge des Schließens der Presse über die Form gespannt werden.
Grundsätzlich können Membranen aus Kautschuk zum Einsatz kommen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass bevorzugt mit hochtemperaturbeständigen Kunststoffen gearbeitet wird, empfiehlt die Erfindung den Einsatz einer Membran aus einem hochelastischen und zugleich temperaturbeständigen Material, zum Beispiel aus Silikon bzw. auf Silikonbasis. Dabei kann auf vorhandene Silikon-Membrane zurückgegriffen werden, die eine Bruchdehnung von zumindest 500 %, vorzugsweise zumindest 600 % aufweisen. Die Membran weist bevorzugt eine Dicke von zumindest 1 mm, besonders bevorzugt zumindest 2 mm auf.
Wie bereits beschrieben, wird als Organoblech besonders bevorzugt ein vorgefertigtes Halbzeug aus mehreren Organoblechlagen bzw. einer Vielzahl von Organoblechlagen verwendet, die vor dem Einlegen in die Presse zusammengelegt und gegebenenfalls miteinander verbunden werden. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, die Organoblechlagen einzeln zusammenzulegen und gemeinsam zu verpressen. Bevorzugt werden die Organoblechlagen jedoch zuvor miteinander (in einer gewünschten Anordnung) verbunden, zum Beispiel durch Schweißen und/oder Kleben, wobei dann eine innige Verbindung anschließend im Zuge der Umformung in der Membranpresse erfolgt. Alternativ liegt es im Rahmen der Erfindung, die einzelnen Organoblechlagen in einer Vorpresse zu einem einheitlichen Organoblech zu verbinden.
Dabei können eine Vielzahl von Lagen verwendet werden, zum Beispiel zumindest fünf Lagen, bevorzugt zumindest zehn Lagen. Für hochstabile Bau-
teile (zum Beispiel für den Flugzeugbau) können auch mehr als zwanzig Lagen zu einem Organoblech zusammengefügt werden.
Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, einzelne Lagen mit unterschiedlicher Faserausrichtung zu verwenden bzw. die einzelnen Lagen so zu stapeln, dass ihre Fasern nicht parallel verlaufen, sondern unter einem vorgegebenen Winkel. Auf diese Weise können besonders stabile Organobleche und entsprechende Bauteile hergestellt werden. Über die Auswahl und Anordnung der einzelnen Lagen lassen sich Eigenschaften und Geometrie des Bauteils hervorragend beeinflussen. So besteht zum Beispiel die Möglichkeit, einzelne Lagen in unterschiedlichen Größen unter Bildung eines Organoblechs mit über die Fläche variierender Dicke vorzusehen. So entstehen zum Beispiel in Bereichen, in denen mehr Lagen vorhanden sind, als in anderen Bereichen, Werkstücke mit größerer Dicke bzw. Wandstärke. In ähnlicher Weise besteht die Möglichkeit, die einzelnen Lagen so anzuordnen, dass im Zuge der Umformung bei einer Verschiebung der einzelnen Lagen zueinander eine gewünschte Kantengeometrie des Bauteils entsteht. Sind die einzelnen Lagen zum Beispiel im nicht umgeformten Zustand bündig angeordnet, so kann durch die Umformung eine schräge Kantengeometrie erzeugt werden und umgekehrt kann durch eine schräge Anordnung der einzelnen Lagen im Randbereich durch die Umformung eine gerade Kantengeometrie erzielt werden. So kann es zum Beispiel gewünscht sein, Bauteile mit abgeschrägten Kanten zu erzeugen, um verbesserte Fügeflächen für die Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Presse zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff nach einem Verfahren der beschriebenen Art. Eine solche Presse ist als Membranpresse aufgebaut, die ein Pressenunterteil aufweist, an/auf dem eine Form angeordnet ist und die ein Pressen-
Oberteil aufweist, welches einen gegen das Pressenunterteil abdichtbaren Druckkoffer aufweist. Außerdem ist eine Membran vorgesehen, welche über die Form spannbar ist. Die Presse weist zumindest einen Presszylinder auf, der auf das Pressenoberteil und/oder das Pressenunterteil wirkt. Außerdem weist die Presse eine Vakuumpumpe auf, mit der auf der einen Seite der Membran, zum Beispiel der Unterseite, ein Unterdruck erzeugbar ist und eine Überdruckpumpe, mit der auf der anderen Seite der Membran ein Überdruck erzeugbar ist.
Die Presse kann so ausgebildet sein, dass die Form bzw. das Pressenunterteil beheizbar und folglich wie eine Heizvorrichtung ausgerüstet sind. Außerdem ist die Presse so ausgebildet, dass das Druckmedium, mit welchem die Membran beaufschlagt wird, beheizbar ist, indem zum Beispiel eine Heizvorrichtung im Bereich der Zuführung für das Druckmedium angeordnet ist.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Membran an dem Pressenunterteil befestigt und über die Form spannbar ist. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Membran an dem Pressenoberteil, zum Beispiel an dem Druckkoffer, elastisch vorgespannt befestigt ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig.1 eine erfindungsgemäße Membranpresse in einer vereinfachten
Darstellung,
Fig. 2 den Gegenstand nach Fig. 1 in einer anderen Funktionsstellung,
Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Presse nach Fig. 1
Fig. 4 die Presse nach Fig. 3 in einer anderen Funktionsstellung Fig. 5 einen Umformvorgang eines mehrlagigen Organoblechs
ersten Ausführungsform und
Fig. 6 einen Umformvorgang eines mehrlagigen Organoblechs
zweiten Ausführungsform.
In den Figuren ist eine Membranpresse 1 für die Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff dargestellt. In einer solchen Membranpresse wird ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen eines thermoplastischen Organoblechs 2 hergestellt. Die Membranpresse 1 weist im Aus- führungsbeispiel ein Pressenunterteil 3 auf, das als Pressentisch ausgebildet ist, auf dem eine Form 4 als Negativform des herzustellenden Bauteils angeordnet ist. Außerdem weist die Presse 1 ein Pressenoberteil 5 auf, welches einen gegen das Pressenunterteil 3 abdichtbaren haubenartigen Druckkoffer 6 aufweist. Dazu ist die untere, auf dem Pressentisch absetzbare umlaufende Stirnfläche 7 des Druckkoffers 6 mit einer umlaufenden Dichtung 8 versehen. Auf das Pressenoberteil 5 wirkt ein Presszylinder 9, wobei im Ausführungsbeispiel der Kolben 10 des Presszylinders 9 an den Druckkoffer 6 angeschlossen ist, so dass der Druckkoffer 6 mit dem Zylinder 9 bzw. dessen Kolben 10 gegen das Pressenunterteil 3 gedrückt wird. Außerdem ist die Membranpresse 1 mit einer elastisch dehnbaren Membran 1 1 ausgerüstet, welche über die Form 4 spannbar ist. Ferner ist eine Vakuumpumpe 12 vorgesehen, welche im Ausführungsbeispiel an das Pressenunterteil 3 angeschlossen ist. Außerdem ist eine Überdruckpumpe 13 vorgesehen, die im
Ausführungsbeispiel an das Pressenoberteil 5 bzw. an den Druckkoffer 6 angeschlossen ist.
Zum Umformen eines Organoblechs 2 wird dieses Organoblech auf die Form 4 gelegt und die Membran 1 1 wird unter Zwischenschaltung des Oranoblechs 2 über die Form 4 gedehnt und vorgespannt.
Das Organoblech wird unter Bildung des Bauteils umgeformt, indem die Membran 1 1 auf der der Form 4 zugewandten Seite über die Vakuumpumpe 12 mit einem Unterdruck beaufschlagt wird und auf der der Form 4 abgewandten Seite mit der Überdruckpumpe 13 mit einem Überdruck beaufschlagt wird, so dass sich das Organoblech 2 unter Bildung des Bauteils an die Form 4 anformt.
Dabei ist vorgesehen, dass das Organoblech 2 vor dem Einlegen in die Presse 1 erwärmt wird. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Form 4 oder zumindest deren dem Organoblech 2 zugewandte Oberfläche vor und/oder während der Umformung erwärmt wird. Schließlich ist es zweckmäßig, wenn auf das Druckmedium, mit welchem die Membran mit Überdruck beaufschlagt wird, erwärmt wird. Dazu ist in den Figuren eine Heizvorrichtung 14 angedeutet. Die Heizvorrichtungen zum Erwärmen des Organoblechs und zum Erwärmen der Form sind nicht dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer solchen Membranpresse, bei welcher die Membran 1 1 an dem Pressenunterteil 3 befestigt und über die Form 4 gespannt wird. Fig. 1 zeigt die Presse, nachdem das Organoblech 2 auf die Form 4 aufgelegt und die Membran 1 1 über die Form 4 unter Zwischenschaltung des Organoblechs 2 gespannt wurde. Außerdem wurde das Pressenoberteil 5 nach dem Einlegen des Organoblechs 2 und nach dem Spannen der Membran 1 1 auf das Pressenunterteil 3 abgesenkt und
abgedichtet. Der Unterdruck kann mit der Vakuumpumpe 12 vor und/oder nach dem Absenken des Pressenoberteils erzeugt werden. Nachdem das Pressenoberteil 5 gegen das Pressenunterteil 3 abgesenkt und abgedichtet wurde, wird der Innenraum des Druckkoffers 6 mit dem Überdruck beaufschlagt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der mit dem Zylinder 9 erzeugte Pressdruck, mit welchem die Membranpresse bei sich aufbauendem Innendruck zugehalten wird, sukzessive mit dem Aufbau des Innendrucks erhöht und folglich angepasst wird. Fig. 2 zeigt die Presse nach erfolgtem Aufbau des Überdrucks und des Unterdrucks mit umgeformtem Organoblech 2.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform einer solchen Membranpresse, bei der die Membran nicht am Pressenunterteil 3, sondern am Pressenoberteil 5, nämlich an dessen Druckkoffer 6 befestigt und elastisch vorgespannt ist (Fig. 3). Nach dem Auflegen des Organoblechs 2 auf die Form 4 wird der Druckkoffer 6 abgesenkt und dabei die Membran unter Zwischenschaltung des Organoblechs 2 über die Form gespannt (Fig. 4). Nachdem die Presse geschlossen wurde, werden einerseits der Unterdruck und andererseits der Überdruck aufgebaut und damit das Organoblech 2 umgeformt und das Bauteil erzeugt.
Das Organoblech 2 kann aus mehreren einzelnen Organoblechlagen 2a bestehen, die unter Bildung des Organoblechs 2 zusammengelegt und in der Presse umgeformt werden. Dabei können die Lagen 2a in ihrer Geometrie so aufeinander abgestimmt werden, dass sich die einzelnen Lagen 2a im Zuge der Umformung unter Veränderung der Kantengeometrie des Bauteils gegeneinander verschieben. Diese Option ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Gemäß Fig. 5 werden die einzelnen Lagen 2a zu einem Organoblech 2 mit geraden Kanten zusammengelegt. Im Zuge der Umformung kommt es zu einer
Verschiebung der einzelnen Lagen zueinander, so dass ein Bauteil mit abgeschrägten Kanten entsteht.
Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 6 eine Ausführungsform, bei welcher die einzelnen Lagen 2a des Organoblechs 2 nicht bündig übereinander liegen, sondern schräge Kanten bilden, so dass dann im Zuge der Umformung ein Bauteil mit geraden Kanten ohne Schrägen entsteht.

Claims

1 . Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff durch Umformen eines thermoplastischen Organoblechs (2) in einer Membranpresse (1 ), wobei in der Membranpresse (1 ) eine Form (4) angeordnet ist oder angeordnet wird, wobei zumindest ein Organoblech (2) als Werkstück auf oder an die Form gelegt wird, wobei eine elastisch dehnbare Membran (1 1 ) unter Zwischenschaltung des Organoblechs (2) über die Form (4) gedehnt vorgespannt wird und wobei das Organoblech (2) unter Bildung des Bauteils umgeformt wird, indem die Membran (1 1 ) auf der der Form zugewandten Seite mit einem Unterdruck und auf der der Form abgewandten Seite mit einem Überdruck beaufschlagt wird, so dass sich das Organoblech (2) an die Form anformt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Organoblech (2) vor und/oder nach dem Einlegen in die Presse (1 ) erwärmt wird, zum Beispiel auf eine Temperatur von mehr als 180 °C.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Form (4) oder zumindest deren dem Organoblech (2) zugewandte Oberfläche vor und/oder während der Umformung erwärmt wird, zum Beispiel auf eine Temperatur von mehr als 180 °C.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das die Membran (1 1 ) mit Überdruck beaufschlagende Druckmedium erwärmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Überdruck zumindest 10 bar, vorzugsweise zumindest 20 bar beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Organoblech (2) als vorgefertigtes Halbzeug aus mehreren Organoblechlagen (2a) besteht, die vor dem Einlegen in die Presse (1 ) zusammengelegt und gegebenenfalls miteinander verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei einzelne Lagen (2a) unterschiedliche Faserausrichtungen aufweisen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei einzelne Lagen (2a) eine unterschiedliche Größe unter Bildung eines Organoblechs mit über die Fläche variierender Dicke aufweisen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Membran (1 1 ) aus Silikon gefertigt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Membran (1 1 ) eine Dicke von zumindest 1 mm, vorzugsweise zumindest 2 mm und/oder eine
Bruchdehnung von zumindest 500 %, vorzugsweise zumindest 600 % aufweist.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei sich die einzelnen Lagen (2a) im Zuge der Umformung unter Veränderung der Kantengeometrie des Bauteils gegeneinander verschieben.
12. Presse zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , welche als Membranpresse ausgebildet ist, mit
- einem Pressenunterteil (3), an/auf dem eine Form (4) angeordnet wird, - einem Pressenoberteil (5), welches einen gegen das Pressenunterteil (3) abdichtbaren Druckkoffer (6) aufweist, zumindest einem Presszylinder (9), der auf das Pressenoberteil (5) und/oder das Pressenunterteil (3) wirkt, einer Membran (1 1 ), welche über die Form (4) spannbar ist, einer Vakuumpumpe (12), mit der auf der einen Seite der Membran (1 1 ), zum Beispiel auf der Unterseite, ein Unterdruck erzeugbar ist,
- einer Überdruckpumpe (13), mit der auf der anderen Seite der Membran (1 1 ) ein Überdruck erzeugbar ist.
13. Presse nach Anspruch 12, wobei die Membran (1 1 ) an dem Pressenunterteil (3) befestigt und über die Form (4) spannbar ist.
14. Presse nach Anspruch 12, wobei die Membran (1 1 ) an dem Pressenoberteil (5), zum Beispiel an dem Druckkoffer (6), elastisch vorgespannt befestigt ist.
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