MAI, Horst (Am Rathaus 10, Furth, 84095, DE)
THEINERT, Jörg (Rosenweg 1, Ohu, 84051, DE)
MAI, Horst (Am Rathaus 10, Furth, 84095, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen eines mehrdimensional profilierten Vorformlings aus einem vorimprägnierten oder bindemittelvernetzten, multidirektionalen Faserverbundmaterial mittels eines oberen und eines unteren, in der Schließlage einen dem Vorformling entsprechend profilierten Formspalt zwischen sich begrenzenden Werkzeugteils, wobei das Faserverbundmaterial beim Schließen der Werkzeugteile von Seiten eines diese umgreifenden Spannrahmens unter Beibehalt der Spannkraft nachgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial zum Ausgleich des Materialüberschusses an den schwächer profilierten Formspaltbereichen ab Beginn der Materialumformung synchron zur Schließbewegung der Werkzeugteile in der Randbeschnittzone des Vorformlings zwischen Formspalt und Spannrahmen zunehmend sickenförmig verformt wird. 2. Umformwerkzeug zum Herstellen eines mehrdimensional profilierten Vorformlings aus einem vorimprägnierten oder bindemittelvernetzten, multidirektionalen Faserverbundmaterial, mit einem oberen und einem unteren, in der Schließlage einen dem Vorformling entsprechend profilierten Formspalt zwischen sich begrenzenden Werkzeugteil sowie einem diese umgreifenden, das Faserverbundmaterial beim Schließen der Werkzeugteile reibschlüssig nachführbar fixierenden Spannrahmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugteile (4, 5) zum Ausgleich des Materialüberschusses an den schwächer profilierten Formspaltbereichen mit in der Randbeschnittzone des Vorformlings (1) angeordneten, einen synchron zur Schließbewegung der Werkzeugteile ab Beginn der Materialumformung zunehmend sicken- förmigen Durchzugsspalt (15) für das Faserverbundmaterial (2) zwischen sich begrenzenden Formstücken (13, 14) versehen sind. 3. Umformwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchzugsspalt (15) eine nach Maßgabe der örtlichen Profillängenunterschiede unterschiedliche Durchzugslänge aufweist. 4. Umformwerkzeug nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial (2) im Durchzugsspalt (15) mit einer ungleichförmigen, im spannrahmenseitigen Einlaufbereich des Durchzugsspalts größeren Rückhaltekraft als im formspaltseitigen Auslaufbereich beaufschlagt ist. 5. Umformwerkzeug zum Herstellen eines mehrdimensional profilierten Vor- formlings aus einem vorimprägnierten oder bindemittelvernetzten, multidi- rektionalen Faserverbundmaterial, mit einem oberen und einem unteren, in der Schließlage einen dem Vorformling entsprechend profilierten Formspalt zwischen sich begrenzenden Werkzeugteil sowie einem diese umgreifenden, das Faserverbundmaterial beim Schließen der Werkzeugteile reibschlüssig nachführbar fixierenden Spannrahmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannfläche des Spannrahmens (6) gegenüber der Einlauffläche (10) eines der Werkzeugteile (5) derart höhenversetzt ist, dass an dieser eine in der Umformphase wirksame Ziehkante (11) für das in den Formspalt (3) nachfließende Faserverbundmaterial (2) gebildet ist. 6. Umformwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannrahmen (6) auf das Gelierniveau des Faserverbundmaterials (2) temperiert ist. 7. Umformwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannrahmen (6) zur Einstellung der örtlichen Spannrahmen-Rückhaltekraft mit einer in Spannrahmenlängsrichtung verlaufenden, unterschiedlich höhenjustierbaren Klemmleiste (8) versehen ist. |
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines mehrdimensional profilierten Vorformlings aus einem vorimprägnierten oder bindemittelvernetzten, multidirektionalen Faserverbundmaterial, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 und/oder 5.
Bei der Herstellung von mehrdimensionalen Vorformlingen aus einem derartigen Faserverbundmaterial, welches zwar fexibel, in Faserrichtung aber zugstabil ist, kommt es beim Umformprozess in einem Formwerkzeug zwischen den Bereichen höherer gegenüber denjenigen geringerer Umformung zu Materialverwerfungen, die nicht mehr durch eine Materialdehnung ausgeglichen werden können und sich dann in einer Falten- oder einer anderen Fehlstellenbildung des Vorformlings niederschlagen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Umformwerkzeug der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die entstehenden Vorformlinge eine deutlich erhöhte Fertigungsqualität besitzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und ein Umformwerkzeug nach den Ansprüchen 1 und 2 und wahlweise oder zusätzlich nach Anspruch 5 gelöst.
Nach einer ersten Variante der Erfindung (Ansprüche 1 bzw. 2) werden die Profillängenunterschiede des Formspalts während der Umformphase des Faserverbundmaterials dadurch weitgehend ausgeglichen, dass das Faserverbundmaterial im Bereich des späteren Randbeschnitts des Vorformlings zwischen Spannrahmen und Formspalt an den Stellen geringerer Profillänge in einem Durchzugsspalt zunehmend sickenförmig gerafft wird, mit dem Ergebnis, dass die Zugspannung des Faserverbundmaterials im Formspalt und die Materialnachführung längs des Spannrahmens während des Umformvorgangs stark vergleichmäßigt und selbst bei komplexen Formteilgeometrien auf fertigungstechnisch einfache Weise eine signifikant verbesserte Materialanformung an die Formspaltkontur ohne störende Materialverwerfungen und insbesondere Faltenbildungen erreicht wird.
Vorzugsweise ist die Durchzugslänge und damit der Materialverbrauch im Durchzugsspalt gemäß Anspruch 3 nicht konstant, sondern ändert sich quer zur Durchzugsrichtung nach Maßgabe der örtlichen Profillängenunterschiede, wodurch sich die Materialangleichung an die Formspaltgeometrie weiter wesentlich verbessern lässt.
Um auf einfache Weise sicherzustellen, dass der Materialverbrauch im Durchzugsspalt durch überschüssiges Material von Seiten des Formspalts der Werkzeugteile und nicht durch spannrahmenseitig nachgezogenes Faserverbundmaterial gedeckt wird, empfiehlt es sich nach Anspruch 4, das Faserverbundmaterial im Durchzugsspalt mit einer ungleichförmigen, im spannrahmenseiti- gen Einlaufbereich größeren Rückhaltekraft als im Auslaufbereich zu beaufschlagen.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung (Anspruch 5) wird das Faserverbundmaterial in der Umformphase über eine einlaufseitig des Formspalts angeordnete Werkzeugkante gezogen und dadurch verhindert, dass sich störende Materialverwerfungen und vor allem Faltenbildungen, die beim Nachfließen des Faserverbundmaterials aufgrund von örtlichen Profillängen- und daraus resultierenden Zugspannungsunterschieden am Spannrahmen entstehen, in den Formspalt fortpflanzen, mit der Folge, dass durch den so erzielten Glät- tungseffekt selbst komplex konturierte Vorformlinge wiederum auf fertigungs- technisch einfache Weise mit einer qualitativ hochwertigen Faserstruktur hergestellt werden.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Spannrahmen nach Anspruch 6 auf das Gelierniveau des Faserverbundmaterials temperiert, so dass dieses nahezu haftreibungsfrei am Spannrahmen gehalten und daher ein ruckartiges Nachfließen des Faserverbundmaterials, bedingt durch sprunghafte Zustandsänderungen zwischen Haftreibung am Spannrahmen einerseits und Gleitreibung andrerseits, wirksam vermieden wird.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
Fig. 1a, b eine teilweise geschnittene Ansicht eines Umformwerk- zeugs nach der Erfindung zur Herstellung eines Faserver- bund-Vorformlings in der Öffnungslage (a) und in der Endphase des Umformvorgangs (b);
Fig. 2 die Aufsicht auf das Werkzeugunterteil gemäß Fig. 1 in verkleinertem Maßstab;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III der Fig. 2; und
Fig. 4 einen erfindungsgemäß hergestellten, nicht-abwickelbar profilierten Faserverbund-Vorformling in perspektivischer Darstellung.
Das in den Fign. gezeigte Umformwerkzeug dient zur Herstellung eines dreidimensional nicht-abwickelbar profilierten Vorformlings, etwa des in Fig. 4 dargestellten Übergangsstücks 1 , aber auch einer gesamten Kraftfahrzeug-Bodenstruktur, aus einer vorimprägnierten oder bindemittelvernetzten, multidirektional aus einer Vielzahl von übereinander geschichteten Faserlagen aufgebauten Fasermatte 2 und enthält als Hauptbestandteile ein oberes und ein unteres, in der Schließlage einen der Raumform des herzustellenden Vorformlings 1 entsprechenden Formspalt 3 begrenzendes Werkzeugteil 4, 5 sowie einen die Werkzeugteile 4, 5 umgreifenden Spannrahmen 6, an dem die zunächst noch ebene Fasermatte 2 in der Öffnungslage der Werkzeugteile 4, 5 derart festgespannt wird, dass sie dann beim Schließhub des Werkzeugs mit einer definierten Zugspannung in den Formspalt 3 nachgezogen wird.
Der Spannrahmen 6 ist zweiteilig mit einem oberen und einem unteren Rahmenteil 6.1 , 6.2 ausgebildet, die jeweils federnd durch eine Schrauben- oder Gasdruckfeder 7.1 , 7.2 aufeinander gedrückt sind. Im oberen Rahmenteil 6.1 ist eine in Rahmenlängsrichtung verlaufende Klemmleiste 8 eingesetzt, welche mit einer korrespondierenden Hohlkehle 9 im unteren Rahmenteil 6.2 zusammenwirkt und in einzelne Klemmleistenstücke unterteilt ist, welche jeweils individuell höhenverstellbar am Rahmenteil 6.1 befestigt sind, so dass sich die Klemmspannung und demzufolge die auf die Fasermatte 2 ausgeübte Rückhaltekraft am Spannrahmen 6 örtlich unterschiedlich einstellen lässt.
Beim Schließhub des Umformwerkzeugs wird der Spannrahmen 6 gemeinsam mit dem oberen Werkzeugteil 4 abgesenkt, bis seine Spannfläche unter die Einlauffläche 10 des unteren Werkzeugteils 5 gelangt, so dass das in der Umformphase von Seiten des Spannrahmens 6 nachfließende Fasermaterial 2 über die dann als Ziehkante 11 wirkende Außenkante des unteren Werkzeugteils 5 gezogen und an dieser kurz vor dem Einlaufen in den Formspalt 3 geglättet wird. Im Spannrahmen 6 sind ferner Heizelemente 12 integriert, durch die das bindemittelvernetzte oder vorimprägnierte Fasermaterial 2 auf Geliertemperatur gehalten wird, um so ein ruckfreies Nachziehen des Fasermaterials 2 sicherzustellen.
Nach einem weiteren wesentlichen Aspekt des gezeigten Umformwerkzeugs wird der Materialfluss in den Formspalt 3 an die unterschiedlichen Profillängen des Vorformlings 1 angepasst. Zu diesem Zweck ist im Bereich des späteren Randbeschnitts des Vorformlings 1 zwischen Formspalt 3 und Spannrahmen 6 eine Nut 13 im unteren und eine in diese ab Beginn der Materialumformung synchron zur Schließbewegung des Werkzeugs zunehmend eintauchende Umlenkrippe 14 am oberen Werkzeugteil 4 angeordnet, die einen das Fasermaterial 2 sickenförmig verformenden Durchzugsspalt 15 bilden, an welchem das Fasermaterial 2 zeitgleich mit der Umformung im umgekehrten Verhältnis zur örtlichen Profillänge gerafft wird, wie dies am deutlichsten aus den Fign. 2 und 3 ersichtlich ist, wonach der aus der Umlenkrippe 14 und der Aufnahmenut 13 bestehende Durchzugsspalt 15 im Bereich maximaler Profillänge, also bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel am linken Ende der Formkavität, wo die Profillänge des Vorformlings 1 am größten ist, ausgespart ist und die Umlenkrippe 14 eine sich in Rippenlängsrichtung nach Maßgabe der örtlichen Abweichung von der maximalen Profillänge ändernde Eintauchtiefe besitzt.
Um sicherzustellen, dass der Materialverbrauch im Durchzugsspalt 15 durch den formspaltseitigen Materialüberschuss gedeckt wird und nicht durch Fasermaterial, welches von Seiten des Spannrahmens 6 nachgezogen wird, ist die Umlenkrippe 14 in Richtung der spannrahmenseitigen Nutwand außermittig versetzt (Fig. 1b), so dass das Fasermaterial 2 an dieser Stelle vermehrt geklemmt und daher bei der zunehmend sickenförmigen Verformung verstärkt vom formspaltseitigen Ende her in den Durchzugsspalt 15 gezogen wird.
Mit dem beschriebenen Umformwerkzeug und -verfahren lassen sich nahezu beliebig geformte Faserverbund-Vorformlinge herstellen, die dann in einem weiteren Fertigungsschritt, vorzugsweise im Wege des Harzinjektionsverfahrens, zu einem Strukturbauteil hoher Lastfestigkeit weiterverarbeitet werden.