Die Erfindung betrifft eine Faserverbund-Fertigungsanlage zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, das durch Injektion eines Faserhalbzeuges mit ei- nem Matrixharz gebildet wird.

Faserverstärkte Kunststoffe sind innovative Materialien, die einen vielfältigen Anwendungszweck erlauben. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaft, bei einem relativ geringen Gewicht eine hohe Steifigkeit in zumindest eine Richtung aufzuweisen, werden Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffe in immer mehr Bereichen eingesetzt, wie beispielsweise im Fahrzeug- oder Flugzeugbau.

Selbst lasttragende Bauteile werden heutzutage bereits aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Ein hierbei weit verbreitetes Herstellungsverfahren ist die Injektion eines Matrixharzes bzw. Kunststoffharzes in ein trockenes oder vorgetränktes Faserhalbzeug und Polymerisation des Matrixharzes durch Hinzuführung thermischer Energie. Durch die Harzreaktion werden die Fasern des Faserhalbzeuges eingeschlossen und bilden so ein integrales Bauteil, das in Faserrichtung seine größte Steifigkeit hat.

Insbesondere bei der Herstellung von sicherheitskritischen Bauteilen ist es notwendig, dass das Matrixharz das trockene Fasergelege vollständig infiltriert hat, so dass sämtliche Fasern mit dem Matrixharz benetzt sind. Aufgrund der Eigenschaft des Matrixharzes, bei niedrigen Temperaturen eine hohe Viskosität aufzuweisen, wird das Matrixharz vor der Injektion in das Faserhalbzeug er- wärmt, um die Viskosität des Harzes zu senken und so eine vollständige Infiltration des Faserhalbzeuges zu gewährleisten. Denn Harze mit einer hohen Viskosität könne aufgrund der Dichte der Faserhalbzeuge diese meist nicht vollständig infiltrieren.

Der Injektions- sowie Aushärtungsprozess erfolgt meist in einem Ofen oder Autoklaven. Dabei wird sowohl das Matrixharz als auch das Faserhalbzeug durch Zuführung thermischer Energie erwärmt, um so ein optimales Ergebnis erzielen zu können. In klassischen Öfen oder Autoklaven erfolgt die Erwärmung des Materials durch den konvektiven Austausch von Wärme.

In der jüngsten Vergangenheit wurden jedoch mikrowellenunterstützte Erwärmungsverfahren untersucht. Hierbei wird die Injektionskammer, in der sich das Faserhalbzeug zur Injektion und Aushärtung befindet, mit einem elektromagne- tischen Mikrowellenfeld beaufschlagt, wobei sich aus der Wechselwirkung mit dem Faserhalbzeug und dem Matrixharz eine dielektrische Erwärmung ergibt. Denn Faserhalbzeuge und das Matrixharz bilden ein Dielektrikum, das bei einem die Materialien umgebenden elektromagnetischen Feld durch ohmsche oder dielektrische Verluste thermische Energie erzeugt. Hierdurch wird es mög- lieh, die benötigten Bauteile gezielt zu erwärmen, ohne dass dabei die thermische Masse der Anlagentechnik und der Fertigungsmittel eine maßgebende Rolle spielen. Da die gezielte Energieübertragung zum zu prozessierenden Material stattfindet und die Wärme direkt prozessgutnah erzeugt wird, werden gezielt nur diejenigen Elemente erwärmt, die für die Herstellung eines qualitativen Bauteils notwendig sind.

Der Innenraum der Injektionskammer muss somit nicht mittels thermischer Energie temperiert werden. Durch die Verwendung von mikrowellengestützter Erwärmung bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen lassen sich die Fertigungszeiten insbesondere aufgrund der mediumfreien Energieübertragung drastisch reduzieren, was die Bauteilkosten senkt und zu einer schnelleren Verfügbarkeit führt. Ein erheblicher Nachteil bei derartigen Fertigungsanlagen und -prozessen besteht jedoch darin, dass die Temperatur des in dem Vorratsbehälter erwärmten Matrixharzes auf dem Weg zum zu infiltrierenden Faserhalbzeug aufgrund von konvektiver Verluste und Wärmestrahlung sinkt, so dass sich deren Viskosität erhöht. Fällt die Temperatur des Matrixharzes unter die benötigte Injektionstemperatur, so besteht die Gefahr, dass das Matrixharz das Faserhalbzeug nicht mehr vollständig infiltriert. Dies würde zwangsläufig zu Ausschuss führen.

Zwischen dem zu infiltrierenden Faserhalbzeug in der Injektionskammer und dem Harzvorratsbehälter ist eine Injektionsleitung vorgesehen, die in der Regel aus einem metallischen Material besteht. Zwar sind zwischen dem Harzvorratsbehälter und der Anlagengrenze Heizschläuche vorgesehen, die das in der Injektionsleitung befindliche Harz durch Zuführung thermischer Energie erwärmen können. Allerdings sind derartige Heizschläuche im Inneren der Injektionskammer aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit nicht anwendbar. Da jedoch aufgrund der Verwendung des metallischen Materials eine Abschirmung des darin befindlichen Harzes erfolgt, kann das Harz in der Injek- tionsleitung nicht durch das elektromagnetische Feld mittels dielektrischer Erwärmung erwärmt werden und kühlt ab. Auch die Injektionsleitung selbst erwärmt sich nicht aufgrund des die Leitung umgebenden elektromagnetischen Mikrowellenfeldes, so dass das in der Injektionsleitung fließende Harz nicht auf der Injektionstemperatur gehalten werden kann. Infolge dessen steigt die Harz- Viskosität und die Benetzung des Faserhalbzeuges mit dem Matrixharz verläuft nicht optimal.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Faserverbund-Fertigungsanlage anzugeben, bei der trotz Verwendung einer mikrowel- lenunterstützten Erwärmung eine optimale Benetzung des Faserhalbzeuges mit dem Matrixharz gewährleistet werden kann. Die Aufgabe wird gelöst mit dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1 . Demnach wird eine Faserverbund-Fertigungsanlage zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, dass eine Injektionskammer aufweist, in die ein mit einem Matrixharz zu iniizierendes Faserhalbzeug zur Herstellung des Faserverbundbauteils einbringbar ist. Derartige Injektionskammern weisen meist einen geschlossenen Bereich (Faradays'scher Käfig) auf, bei dem über eine Tür das Faserhalbzeug in die Kammer einbringbar ist. Mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldgenerators lässt sich dann im Inneren der Injektionskammer ein elektromagnetisches Feld erzeugen, dass das Faserhalbzeug in der Injektionskammer umgibt und so das eingebrachte Faserhalbzeug und/oder das in das Faserhalbzeug indizierte Matrixharz erwärmt. Die mit dem Harzvor- ratsbehälter verbundene Injektionsleitung steht dabei mit dem Faserhalbzeug kommunizierend in Verbindung, so dass das Faserhalbzeug mit dem Matrixharz aus dem Vorratsbehälter infiltriert werden kann.

Um nun die thermischen Verluste beim Transport des Matrixharzes von dem Vorratsbehälter zum Faserhalbzeug zu verringern bzw. auszugleichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Injektionsleitung zumindest ein dielektrisches Material aufweist. Hierdurch wird das dielektrische Material aufgrund des die Injektionsleitung umgebenden elektromagnetischen Feldes erwärmt, was zu einer Erwärmung der Injektionsleitung führt und somit die ther- mische Verlustenergie reduzieren und ausgleichen kann.

Ein dielektrisches Material ist ein Material, welches elektromagnetische Energie in thermische Energie umwandelt, wenn es von einem elektromagnetischen Feld umgeben ist.

Die Erfinder haben hierbei erkannt, dass die Verwendung von dielektrischem Material bei der Injektionsleitung für sich genommen ausreichend ist, die Verlustleistung auszugleichen, die durch den Transport des Injektionsharzes durch die Injektionsleitung entsteht. Es wird somit möglich, der Abkühlung des Matrixharzes in der Injektionsleitung beim Transport von dem Harzvorratsbehälter zum Faserhalbzeug entgegenzuwirken, ohne den Anlagenaufbau wesentlich zu verkomplizieren und aktive Erwärmungselemente an den Injektionsleitungen vorzusehen, die die notwendige elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen.

Vorteilhafterweise weist das dielektrische Material Kohlefasern auf, die auch in dem Faserhalbzeug Anwendung finden und somit ähnliche dielektrische Eigenschaften aufweisen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Injektionsleitung, die beispielsweise aus einem Metall- oder Kunststoffrohr bestehen kann, von dem dielektrischen Material zumindest teilweise ummantelt, so dass bereits bestehende Anlagen mit derartigen Metall- oder Kunststoffrohren als Injektionsleitungen mit dieser Technik nachgerüstet werden können.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich hierbei um einen Kohlefaserschlauch als dielektrisches Material, der über das Metall- oder Kunststoffrohr der Injektionsleitung gezogen wird und somit der Injektionsleitung das dielektrische Material bereitstellt.

Der Kohlefaserschlauch kann vorteilhafterweise einen elastischen Haltefaden bzw. elastische Haltefäden in Querrichtung aufweisen, um an Injektionsleitungen mit unterschiedlichen Au ßendurchmessern variabel angepasst werden zu können. Ein derartiger Kohlefaser-Flexschlauch kann somit für verschiedene Anlagetypen mit unterschiedlichen Injektionsleitungs-Durchmessern verwendet werden und ermöglicht so ein einfaches und kostengünstiges Nachrüsten der- artiger Anlagen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Injektionsleitung weiterhin ein Dämmmaterial bzw. Dämmstoff auf, um so den Wärmeeintrag und die Wärmeabfuhr besser steuern zu können, so dass die Temperatur des Matrixharzes auf die gewünschte Injektionstemperatur eingestellt werden kann.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen :

Figur 1 - Anlagenaufbau gemäß vorliegender Erfindung ;

Figur 2 - Detaildarstellung einer Injektionsleitung.

Figur 1 zeigt schematisch eine Faserverbundfertigungsanlage 1 , die eine Injektionskammer 2 aufweist. In der Injektionskammer 2 befindet sich ein Form- Werkzeug 3, in das ein Faserhalbzeug 4 eingebracht wurde. Mittels einer Vakuumfolie 5 wurde das Faserhalbzeug vakuumdicht an dem Formwerkzeug 3 abgeschlossen.

Die Faserverbund-Fertigungsanlage 1 weist des Weiteren einen elektromagne- tischen Feldgenerator 6 auf, der zum Erzeugen eines elektromagnetischen

Feldes in der Injektionskammer 2 eingerichtet ist. Das elektromagnetische Feld wird in der Injektionskammer 2 so von dem elektromagnetischen Feldgenerator 6 erzeugt, so dass das Faserhalbzeug 4 von dem elektromagnetischen Feld umgeben ist. Hierdurch entsteht thermische Energie in dem Faserhalbzeug 4.

Das Formwerkzeug 3 ist über einen ersten Anschluss 7 mit einer Injektionsleitung 8 verbunden, die an einem Ende in ein Matrixharz 9, das sich in einem Harzvorratsbehälter 1 0 befindet, getaucht ist. Die Injektionsleitung 8 steht über den Anschluss 7 am Formwerkzeug 3 mit dem Faserhalbzeug so kommunizie- rend in Verbindung, dass das Matrixharz 9 des Vorratsbehälters 1 0 in das Faserhalbzeug 4 injiziert werden kann und so das gesamte Fasergelege infiltrieren kann.

An dem Formwerkzeug 3 ist des Weiteren ein zweiter Anschluss 1 1 vorgese- hen, an dem eine Vakuumpumpe 1 2 angeordnet wird, um so das Faserhalbzeug 4 evakuieren zu können. Innerhalb der Injektionskammer ist die Injektionsleitung 8 mit einem dielektrischen Material 1 3 ummantelt, das beispielsweise ein Kohlenstofffaser- Flexschlauch sein kann, der über die Injektionsleitung 8 in der Injektionskam- mer 2 gezogen wurde.

Wird nun mit Hilfe des elektromagnetischen Feldgenerators 6 ein elektromagnetisches Mikrowellenfeld, beispielsweise mit einer Frequenz von 2,45 GHz, erzeugt, so wird die Injektionsleitung 8 mit dem dielektrischen Material 1 3 von dem Feld umgeben. Aufgrund der dielektrischen Eigenschaft wird die elektromagnetische Feldenergie in thermische Energie in dem dielektrischen Material 1 3 umgewandelt, so dass dies dann aufgrund des konvektiven Wärmeaustausches zu einer Erwärmung der Injektionsleitung 8 führt. Dies wiederum führt dazu, dass das Matrixharz 9, welches durch die Injektionsleitung 8 zum Faser- halbzeug 4 transportiert werden soll, in diesem Bereich nicht abkühlt. Somit kann die Injektionstemperatur gehalten werden und somit die niedrige Viskosität beibehalten werden.

Figur 2 zeigt eine Injektionsleitung 8, die ein Metall- oder Kunststoffrohr 14 hat. Das Metall- oder Kunststoffrohr 14 kann beispielsweise aus einem Kupfermaterial bestehen. Um den Au ßenumfang des Metall- oder Kunststoffrohres 1 4 ist ein Kohlenstofffaser-Flexschlauch 1 5 gelegt, der das Metall- oder Kunststoffrohr 1 4 zumindest teilweise ummantelt. Durch Einarbeitung von elastischen Haltefäden in Querrichtung kann der Kohlenstofffaser-Flexschlauch flexibel an unterschiedliche Durchmesser des Metall- oder Kunststoffrohres 14 angepasst werden.