DE19803965B4

DE19803965B4 - Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mit Lang- und/oder Endlosfaserverstärkung

Info

Publication number: DE19803965B4
Application number: DE19803965A
Authority: DE
Inventors: Christian Pohl; Gerry Ruddington Boyce
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: DE19803965A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mit Lang- und/oder Endlosfaserverstärkung, dadurch gekennzeichnet, dass ebene Halbzeuge mit einer inneren ebenfalls ebenen Polymerblase und zwei äußeren Diaphragmen versehen in einer separaten Heizstation aufgeschmolzen und durch Beaufschlagung der Polymerblase mit Innendruck zu einem komplexen Hohlkörper in einer weiteren separaten Umformstation ausgeformt werden.

Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Verfahren kann überall dort angewendet werden, wo faserverstärkte Hohlkörper mit unterschiedlicher Wanddicke und definierter Außenfläche benötigt werden. Diese Bauteile werden im Folgenden unter dem Begriff komplexe Bauteile zusammengefasst, da deren Geometrie beispielsweise Hinterschnitte und Dickensprünge aufweisen sowie auch unsymmetrisch sein kann.
Stand der Technik
Hohlkörper werden derzeit bereits durch die unterschiedlichsten Verfahren hergestellt. Unterschieden werden können die unterschiedlichen Anwendungen vor allem durch den Volumengehalt und die Länge der Fasern, die den Kunststoff verstärken.
Aus dem Bereich der unverstärkten Hohlkörper ist das Verfahren des Extrusionsblasformens am weitesten verbreitet. Hierbei wird die Kunststoffschmelze kontinuierlich zu einem Vorformling extrudiert und anschließend zyklisch mittels Blasluft in ein mehrteiliges Werkzeug geblasen. Dabei können thermoplastische Bauteile mit guter Oberflächenqualität und hoher Maßhaltigkeit der äußeren Oberfläche erzeugt werden. Die Wanddicke stellt sich vornehmlich durch das Verstrecken des Vorformlings ein, kann jedoch durch eine geeignete Steuerung des Extruders und Gestaltung der Extrusionsdüse beeinflusst werden. Eine lokale Wanddickenerhöhung zur Krafteinleitung o. a. ist derzeit jedoch noch nicht möglich.
Hohlkörper mit Kurz- und Langfaserverstärkung und ebenfalls guter äußerer Oberfläche können durch das Schleuderverfahren hergestellt werden. Dieses, insbesondere im Anlagenbau etablierte Verfahren ist sowohl mit duroplastischen als auch mit thermoplastischen Kunststoffen möglich und führt ebenfalls zu komplexen Bauteilen mit guter Außenoberfläche. Eine gezielte Faserorientierung zur lastorientierten Verstärkung des Hohlkörpers ist aufgrund der Verfahrensführung und der Faserlänge jedoch nicht möglich.
Um hochbelastete Hohlkörper gezielt lastgerecht verstärken zu können, sind Verfahren nötig, die eine Endlosfaserverstärkung der Bauteile ermöglichen. Hierzu wird am häufigsten das Wickelverfahren mit Rovings, Bändern oder Gelegen eingesetzt. Hierbei werden getränkte Fasern abgezogen und auf einem rotierenden Kern abgelegt. Vorteil dieses Verfahrens ist die Automatisierbarkeit und die gezielte Faserablage. Bei komplexeren Strukturen erweist sich jedoch die Entformung des Kerns als sehr aufwendig. Während in diesem Verfahren sowohl thermoplastische als auch duroplastische Kunststoffe verarbeitet werden können, erweist sich die Ablage auf einem Kern als nachteilig für die Qualität der äußeren bzw. sichtbaren Oberfläche. Die Wanddicke des Bauteils kann im Voraus nicht genau bestimmt werden, wodurch meist eine Nachbearbeitung der Oberfläche notwendig wird.
Eine gezielte Faserorientierung bei gleichzeitig guter Oberflächenqualität der Außenfläche wird durch das Schlauchblasen mit thermoplastischen oder duroplastischen Prepregs möglich. Hierbei wird ein Blasschlauch mit vorimprägnierten Halbzeugen (Prepregs) belegt und in die Kavität des Werkzeugs eingelegt. Die Werkzeuge werden vorgeheizt, damit sich die Viskosität des Matrixwerkstoffes schnell reduziert. Anschließend wird der Blasschlauch mit Innendruck belastet, wodurch die Prepregs an die Innenfläche des Werkzeugs gedrückt werden. Duroplastische Halbzeuge härten nach dem Aufheizen und dem Start der Vernetzungsreaktion im Werkzeug aus, wogegen thermoplastische Matrixsysteme nach dem Aufschmelzen und Konsolidieren in demselben Werkzeug abkühlen müssen, um sich zu verfestigen. Dazu ist ein Abkühlen des gesamten Werkzeuges nötig. Dies führt zwar zu guten Oberflächenqualitäten, jedoch auch zu relativ langen Zykluszeiten, da die Werkzeuge sowohl aufgeheizt als auch anschließend wieder abgekühlt werden müssen.
Beim kombinierten Schlauchblas-RTM Verfahren werden trockene Verstärkungshalbzeuge um einen Blasschlauch gelegt und in ein mehrteiliges Werkzeug drapiert. Anschließend wird hier jedoch nur das trockene Verstärkungshalbzeug durch die Druckbeaufschlagung des Blasschlauchs an die Werkzeugkavität angelegt. Anschließend wird der duroplastische Kunststoff mittels RTM-Verfahren injiziert und das Verstärkungsmaterial getränkt. Dadurch ist ebenfalls eine Herstellung von komplexen Bauteilen mit gerichteten, endlosen Fasern und guter Oberflächenqualität möglich. Allerdings ist aufgrund der hohen Viskosität thermoplastischer Kunststoffe dieses Verfahren derzeit auf die Verarbeitung duroplastischer Kunststoffe beschränkt.
In EP 0 567 583 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rahmens für einen Sportschläger beschrieben. Dieses Verfahren basiert auf der Verwendung geflochtener schlauchförmiger Halbzeuge mit konstantem Umfang, sodass nur einfache Hohlkörpergeometrien realisiert werden können. Des Weiteren beschreibt das Patent ein isothermes Verarbeitungsverfahren, bei dem sowohl das Aufheizen der thermoplastischen Matrix als auch die Ausformung und Abkühlung des Bauteils in derselben Werkzeugform stattfindet.
Nachteile des Standes der Technik
Keines der im Stand der Technik aufgelisteten Verfahren kann derzeit alle nachfolgend aufgelisteten Eigenschaften gleichzeitig und in einem Schritt realisieren:

• In Belastungsrichtung orientierte Faserverstärkung mit Lang- und/oder Endlosfaserverstärkung
• Gute Oberflächenqualität der Bauteile auf der Außenseite
• Herstellung von komplexen Bauteilen in einem Schritt bei kurzen Zykluszeiten
• Verwendung von thermoplastischem Matrixmaterial
• Möglichkeit, lokale Wanddickenunterschiede für Krafteinleitungsbereiche zu integrieren

Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung dagegen beschreibt ein Verfahren, das diese Eigenschaften gleichzeitig in einem Schritt realisieren kann, und zwar durch:

• Einfaches Handling der Halbzeuge in ebenem Zustand
• Geringe Rüstzeiten, da für einen Geometriewechsel nur die Umformwerkzeuge gewechselt werden müssen. Die ebenen Heizplatten können weiterverwendet werden.
• Komplexe Hohlkörper mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien können gefertigt werden. Sowohl gerichtete Faserverstärkung mit langen und/oder endlosen Fasern als auch lokale Wanddickenunterschiede (bspw. für Krafteinleitungsbereiche) können eingebracht werden.
• Durch die Trennung von Heiz- und Umform-/Kühlstation können diese auf ihren Temperaturniveaus gehalten werden, während nur das Halbzeug aufgeheizt und abgekühlt wird. Lange Aufheiz- und Abkühlzeiten der massiven Werkzeuge bei jedem Zyklus werden dadurch vermieden. Schnelle Erwärmung des Halbzeugs durch z. B. Kontakt zum Heizwerkzeug wird ermöglicht.
• Möglichkeit zur vollständigen Imprägnierung des Halbzeugs in der Aufheizphase. Als vollständige Imprägnierung wird hier die restlose Entfernung der Luft aus dem Laminat während der Imprägnierung bezeichnet. Die Faktoren Druck, Vakuum, Temperatur und Zeit, begünstigen die Imprägnierung und werden in der Heizstation appliziert. Der Gesamtprozess läuft unter Vakuum ab.
• Einfache Umformung zu einem komplexen Bauteil
• Schnelle Abkühlung der thermoplastischen Bauteile durch unterhalb der Erstarrungstemperatur temperierte Umformwerkzeuge und dadurch realisierbare kurze Zykluszeiten
• Erzielung hoher Oberflächenqualität auf der Außenseite der Bauteile
• Automatisierbare Fertigung

Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

A) Ein ebenes Halbzeug 1 oder ein ebener Perform 1 – z. B. Gewebe aus Mischfilamenten, die sowohl die verstärkende Faser als auch die thermoplastische Matrix in Form von Filamenten vorliegen haben – wird um eine dünne und eben ablegbare Polymerblase 2 positioniert. Bei dem oben angeführten Preform handelt es sich um ein endkonturnah konfektioniertes Halbzeug, welches sich eben ablegen lässt und beim Auseinanderfalten die Endkontur abbildet. Die Konfektionierung ist ein weiterer Verarbeitungsschritt, in welchem aus den Halbzeugen mittels unterschiedlicher Herstellungsverfahren, wie z. B. Vernähen oder Faserspritzen, die Endkonturnähe realisiert wird. Als Halbzeuge werden bspw. Rovings, Gewebe oder Gelege verstanden, welche außer dem Zuschneiden keiner weiteren Konfektionierung und keinem weiteren Verarbeitungsschritt unterliegen. Die Ausdehnung der Halbzeuge oder Preforms in zwei Raumrichtungen ist um ein Vielfaches größer als in der Dickenrichtung, daher ebenes Halbzeug oder Preform genannt. In dieser Form ist ein einfaches Lagern und Transportieren der Halbzeuge/Preforms möglich. Im Folgenden werden Halbzeuge und Preforms synonym verwendet.

Dieser Aufbau wird von zwei dehnfähigen Polymerfolien 4 (im Folgenden Diaphragmen 4 genannt) eingerahmt, deren Schmelztemperatur bzw. Degradationstemperatur über derjenigen des zu verarbeitenden Kunststoffes liegt. Durch Evakuierung des Raumes zwischen den Diaphragmen und der Polymerblase wirkt der Umgebungsdruck als Komprimierung des Aufbaus und unterstützt die Ausbildung einer ebenen Struktur. Des Weiteren wird durch den Prozessablauf unter Vakuum eine Oxidation der Schmelze und Lufteinschlüsse im Matrixsystem verringert bzw. unterbunden. Die Diaphragmen übernehmen einerseits die Aufgabe des Halbzeugtransports von der Heizstation zur Umformstation und trennen andererseits diese Stationen von der im aufgeschmolzenem Zustand klebrigen Thermoplastschmelze. Des Weiteren kann durch diesen Aufbau der komplette Verarbeitungsprozess unter Vakuum ablaufen, was oxidative Reaktionen durch den Kontakt mit der Umgebungsluft ausschließt.

B) Anschließend wird der Aufbau in ein geeignetes Heizsystem (z. B. temperierte Stahlplatten oder IR-Strahler 6) verfahren und dort in ebenem Zustand über die Schmelztemperatur des thermoplastischen Halbzeugs aufgeheizt. Bei der Verwendung berührender Heizsysteme 6 kann in dieser Phase das Faserverbundhalbzeug 1 vollständig mit Kunststoffschmelze imprägniert und konsolidiert werden. Dies wird durch das angelegte Vakuum 5a zwischen den Diaphragmen, das durch die Abdichtung 7 der Diaphragmenrahmen 3 möglich wird, unterstützt. Durch Verwendung eines Druckes während des Aufheizvorganges kann der Wärmeübergang deutlich verbessert werden und die Imprägnierung des Halbzeuges beschleunigt werden, was prinzipiell zu kurzen Aufheizzeiten führt.
C) Nach dem Aufschmelzen wird der gesamte Aufbau in das ein- oder mehrteilige Umformwerkzeug 9, 10 transferiert, das unter die Erstarrungstemperatur des Kunststoffes temperiert ist. Nach dem Verriegeln des Werkzeuges mit bekannten Mitteln, wird die Polymerblase mit Hilfe eines Druckmediums 8 (z. B. Druckluft) mit Druck beaufschlagt, wodurch sich die Polymerblase 2 entfaltet, das flache Halbzeug 1 zu einem komplexen Bauteil formt und an die Innenfläche des Werkzeuges presst. Durch den Kontakt des Aufbaus zur kalten Werkzeugwand erstarrt die thermoplastische Matrix sehr schnell, wobei die Oberfläche des Werkzeuges auf dem Bauteil abgebildet wird. Dies führt zu einer hohen Qualität der äußeren Hohlkörperoberfläche. Ein in das Werkzeug integriertes System 11, welches bspw. mechanisch realisiert sein kann, passt je nach Ausführungsform den Spalt zwischen den Werkzeughälften an. Zum einen wird so ein Nachführen des Halbzeugs 1 in die Kavität ermöglicht und zum anderen gegen Ende der Ausformung die Kavität so weit verschlossen, so dass die gewünschte Geometrie des Bauteils erzeugt wird. Das Vakuum 5b kann in dieser Phase je nach Ausführungsform nicht mehr notwendig sein. Die prinzipiell erreichbaren kurzen Abkühlzeiten können durch eine Spülkühlung der Polymerblase noch weiter reduziert werden.

Vorteile der Erfindung
Durch das skizzierte Verfahren werden die Nachteile des Stands der Technik gelöst, die Aufgaben der Erfindung erfüllt und die Anforderungen an komplexe Bauteile befriedigt, was die Vorteile der Erfindung darstellt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für dieses Verfahren zur Herstellung von komplexen Bauteilen unterschiedlicher Geometrien und Wanddickenverteilung.
Zwei vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in 1 und 2 dargestellt:
1.: In diesem Beispiel wird ein endkonturnahes Halbzeug/Preform 1 verwendet, welches eben abgelegt wird. In dem Preform wird eine Polymerblase 2 positioniert. Die Aufheizung 13 des eben abgelegten Preforms 1 findet zwischen zwei dehnfähigen Polymerfolien (Diaphragmen 3) in der ebenen Heizstation statt. Neben dem zwischen den Diaphragmen angelegten Vakuum 5a begünstigt der applizierte Heizdruck, welcher durch den Kontakt mit Heizplatten 6 aufgebracht wird, die vollständige Imprägnierung des Halbzeugs in der Heizstation. Nachdem das Halbzeug vollständig aufgeschmolzen und imprägniert ist, wird es in die Umformstation transferiert. Dort wird die Polymerblase mit Druckluft aufgeblasen, wodurch das Halbzeug aus einem ebenen in den 3-dimensionalen komplexen Zustand überführt und ausgeformt wird. Durch den Kontakt mit dem kalten Werkzeug 9, 10 wird das Bauteil unter Formzwang heruntergekühlt 14 und kann anschließend entnommen werden (1).
2.: Für die Fertigung des zweiten Bauteilbeispiels wird ein ebener mehrlagiger Halbzeugaufbau 1 verwendet. Zwischen die Halbzeuglagen wird auch hier eine Polymerblase 2 positioniert. Anschließend wird der Gesamtaufbau zwischen zwei Diaphragmen 4 eingelegt und dort der Zwischenraum evakuiert. Nach dem Transport in die Heizstation 6 findet die Aufheizung 13 und Konsolidierung in der auch in Beispiel 1 genannten ebenen Heizstation 6 statt. Nach dem Transport in die Umformstation wird dort der Randbereich des aufgeschmolzenen Verbundes durch das Zufahren der Umformstation 9, 10 mit einer bestimmten Kraft geklemmt. Anschließend wird die Polymerblase mit Druckluft 8 beaufschlagt, wodurch das Halbzeug ausgeformt wird. Ein in das Werkzeug integriertes System 11 passt je nach Ausführungsform den Spalt zwischen den Werkzeugen so an, dass ein Nachführen des Halbzeugs 1 in die Kavität möglich ist. Durch den Kontakt mit dem kalten Werkzeug 9, 10 wird das Bauteil unter Formzwang heruntergekühlt 14 und kann anschließend entnommen werden. Mit dieser Verfahrenstechnik wird die Ausformung zu einem großflächigen Hohlkörper mit umlaufendem Flansch 12 ermöglicht (2).

1: Ebenes Halbzeug oder Preform
2: Polymerblase
3: Diaphragmahalterung und Abdichtung
4: dehnfähige Polymerfolien (Diaphragmen)
5a: Evakuierung des Diaphragmazwischenraumes
5b: Evakuierung zur Unterstützung der Dichtwirkung
6: Heiz/Konsolidiersystem (beispielsweise elektrisch beheizte Stahlplatten)
7: Dichtung der Diaphragmarahmen
8: Hohlraum mit Druckbeaufschlagung durch das Druckmedium
9: Ein- oder mehrteilige Werkzeughälfte
10: Ein- oder mehrteilige Werkzeughälfte
11: Schieber oder ähnliches Dichtungssystem zur Begrenzung der Bauteilgeometrie
12: Umlaufender Flansch am Bauteil
13: Wärmezufuhr
14: Wärmeabfuhr

Claims

Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus thermoplastischen Kunststoffen mit Lang- und/oder Endlosfaserverstärkung, dadurch gekennzeichnet, dass ebene Halbzeuge mit einer inneren ebenfalls ebenen Polymerblase und zwei äußeren Diaphragmen versehen in einer separaten Heizstation aufgeschmolzen und durch Beaufschlagung der Polymerblase mit Innendruck zu einem komplexen Hohlkörper in einer weiteren separaten Umformstation ausgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Prozessschritte zeitlich hintereinander abfolgen: a) Die innen mit der Polymerblase versehenen Halbzeuge/Preforms, werden in einer Einlegestation zwischen den Diaphragmen positioniert, welche in einem Transportrahmen eingespannt und abgedichtet sind. b) Zwischen den Diaphragmen wird evakuiert, und das Vakuum wird während des kompletten Verarbeitungszyklus aufrechterhalten. c) Nach dem Transfer des Transportrahmens in die Heizstation wird dort das Halbzeug über Matrixschmelztemperatur aufgeheizt. d) Anschließend erfolgt der Transfer des Transportrahmens in die separate Umformstation. e) Nach dem Schließen des Umformwerkzeugs erfolgt die Druckbeaufschlagung der Polymerblase mit einem Druckmedium. f) Vollständiges Ausformen des Bauteils und Aufrechterhaltung des Umformdruckes (Formzwang) und dabei Abkühlen des Bauteils unter die Erstarrungstemperatur der Matrix.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl mehrlagige, ebene Halbzeuge als auch Preforms aus diesen Halbzeugen verarbeitet werden können.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Halbzeuge als auch die Preforms aus Mischfilamenten, so genannten hybriden Garnen, hergestellt werden, welche sowohl Thermoplast- als auch Verstärkungsfaserfilamente enthalten.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizstation neben dem Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix auch die vollständige Imprägnierung der Verstärkungsfasern stattfindet.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausformen des Halbzeuges zu einem komplexen Bauteil und die Abkühlung unter Erstarrungstemperatur des Matrixmaterials in einer thermisch getrennten separaten Umformstation abläuft.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausformen der Polymerblase mittels eines beliebigen Druckmediums vorzugsweise Druckluft vollzogen wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug nach dem Aufschmelzen gegen den Umgebungsdruck und die außen liegenden Diaphragmen ausgeformt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Halbzeugs zwischen der Heiz- und Umformstation und die physikalische Trennung des heißen und klebrigen Halbzeuges von der Heiz- und Umformstation durch Polymerfolien (Diaphragmen) realisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Halbzeug eingelegte Polymerblase im verwendeten Temperaturbereich dehnfähig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerblase wiederverwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerblase im Hohlkörper verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug während der Aufheizphase durch ein Vakuum und/oder einen Druck von außen vollständig imprägniert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmedium zur Beheizung und/oder Kühlung des Halbzeugs eingesetzt wird.