AT514984A2 - Verfahren zur Herstellung eines hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils mit einem ausgeschmolzenem Kern (1), g e kennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte: Belegen eines Kerns (1) mit einem Faserwerkstoff (2), Einlegen des belegten Kerns (1) in ein Formwerkzeug (3), Injizieren von Matrixharz (4), Temperieren des Formwerkzeuges (3) zum Aushärten des Matrixharzes (4), wobei die teilweise während des Aushärtens des Matrixharzes (4) frei werdende exotherme Energie verwendet wird, das Kernmaterial aufzuschmelzen, Ausschmelzen des Kerns (1), - Entnahme des Faserverbundwerkstoffbauteils aus dem Formwerkzeug (3).

Description

Verfahren zur Herstellung eines hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hohlenFaserverbundwerkstoffbauteils mit einem ausgeschmolzenen Kern gemäß denMerkmalen im Patentanspruch 1.

Aus dem Stand der Technik ist es mehr und mehr bekannt auch in automatisierterHerstellung Faserverbundwerkstoffbauteile herzustellen. Insbesondere finden diesesomit auch Einzug in den Automobilsektor.

Oftmais ist es hier jedoch notwendig gerade Faserverbundwerkstoffbauteiieherzustelien, die eine komplexe Formgebung haben und insbesondere von innenhohi sind.

Hierzu wird oftmals das LCM-Verfahren genutzt, was für Liquid Composing Moldingsteht. Eine bekannte Hersteilungsvariante des LCM-Verfahrens ist das RTM-Verfahren (Resin Transfer Molding), wobei Faserwerkstoffe in ein Formwerkzeuggegeben werden und unter Druck Matrixharz in das Formwerkzeug, denFaserwerkstoff durchdringend injiziert wird und anschließend in dem Formwerkzeuginsbesondere unter Temperaturzusatz aushärtet.

Um nunmehr ein von innen hohles Faserverbundwerkstoffbauteil herzustellen gibt esaus dem Stand der Technik wiederum verschiedene Ansätze. So wird beispielsweisedas Faserverbundwerkstoffbauteil mehrteilig in Differenzialbauteile hergesteilt, beidem Hohlbauteile durch Fügeverfahren, wie beispielsweise Kleben oder Nietengekoppelt werden. Ein solches Herstellungsverfahren ist jedoch mit hohenHerstellungskosten aufgrund mehrerer Werkzeuge und Vorrichtungen verbunden.Des Weiteren benötigen diese Verfahren stets ein oder mehrere zusätzlicheProzessschritte.

Die Alternative dazu besieht in einem Herstellungsverfahren, bei dem einKernmateriai genutzt wird. Hierzu wird ein Kernmaterial mit einem Faserwerkstoffbeiegt oder aber auch umwickelt und sodann beispielsweise im RTM-Prozess derFaserwerkstoff mit samt Kern in ein Formwerkzeug eingelegt und der Faserwerkstoffvon Matrixharz durchdrungen. Hierzu kann der Kern, beispielsweise im Falle vonSchaumwerkstoff in dem hergesteiiten Bauteil verbleiben oder aber auch aus demBauteil auf Wachsbasis ausgeschmoizen werden. im Falle des Ausschmelzens eines Kerns wird zunächst das Faserhalbzeug mit demKern in einem Formwerkzeug hergesteift, sodann wird der Faserverbundwerkstoffausgehärtet und das Bauteil danach mit optionaler zwischenzeitlicher Festaushärte-bzw. Lagerzeit in einen Temperofen verbracht, wobei in dem Temperofen der Kernzuvor von Wärme ausgeschmoizen wird.

Ein solcher Herstellungsvorgang ist jedoch sehr zeit- und energieaufwendig, weshalber sich für die automatisierte Fertigung nur bedingt eignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik einVerfahren zur automatisierten Herstellung eines hohlen

Faserverbundwerkstoffbauteils aufzuzeigen, bei dem die Hersteliungszeit beizumindest gleichbleibender Herstellungsqualität unter Verwendung eines geringerenEnergieaufwandes verkürzt ist.

Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zurHerstellung eines hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils mit ausgeschmolzenemKern gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand derabhängigen Patentansprüche.

Das Verfahren zur Herstellung eines hohlen Faserverbundwerkstoffes mit einemausgeschmolzenen Kern weist erfindungsgemäß folgende Verfahrensschritte auf: - Belegen eines Kerns mit einem Faserwerkstoff, - Einlegen des belegten Kerns in ein Formwerkzeug, - Injizieren von Matrixharz, - Temperieren des Werkzeuges zum Aushärten des Matrixharzes, wobeiteilweise die während des Aushärtens des Matrixharzes frei werdendeexotherme Energie verwendet wird, das Kernmateriai aufzuschmelzen, - Ausschmelzen des Kerns, - Entnahme des Faserverbundwerkstoffbauteils aus dem Formwerkzeug.

Wesentlicher Teil der Erfindung ist die Kombination aus Aushärtevorgang undAusschmelzvorgang in einem Werkzeug, wobei sowohl der Aushärtevorgang alsauch der Ausschmelzvorgang zeitlich unmittelbar aneinander anknüpfen oder abersich bereits überlagern. Hierdurch ist es ermöglicht, das während desAushärtevorganges auf eine gegenüber der Raumtemperatur erhöhte Temperaturgebrachte Formwerkzeug aneinandergereiht oder aber durch Überlagerung desAushärteprozesses und Ausschmelzprozesses in einem fließenden Übergang inseiner Temperatur weiter zum Ausschmelzen des Kern zu erhöhen, so dass einWärmeverlust bei Entformen und Manipulieren des hergestellten

Faserverbundwerkstoffbauteils mit Kern vermieden ist. Hierbei ist besonders zuberücksichtigen, dass gerade der Faserverbundwerkstoff eine nur geringeWärmeleitfähigkeit hat, so dass ein wenn auch nur geringfügig abgekühltesAußenmaterial nur mit erhöhtem Energieaufwand wiederum auf Temperatur gebrachtwird.

Weiterhin entfallen die Transferzeit sowie gegebenenfalls zusätzlicheWerkzeugkosten für einen Temperofen zum Ausschmelzen des Kerns. Dies führt zueiner deutlichen Verkürzung der Produktionszeit, bei gleichzeitig geringeremEnergieaufwand, im Rahmen der Erfindung besitzt weiterhin das teilausgehärteteMatrixharz eine gegenüber einem vollausgehärteten und gegebenenfallsraumtemperaturnahem Matrixharz erhöhte Wärmeabgabe. Während desAushärteprozesses findet jedoch gleichzeitig auch eine exothermeEnergiefreisetzung insbesondere bei Reaktionsharzen statt. Auch dies macht sichdas erfindungsgemäße Verfahren zu nutzten, da die exotherme Energiefreisetzungwährend des Aushärtevorganges des Matrixharzes zugleich dazu genutzt wird, dasKernmateriai aufzuschmelzen. Auch hierdurch wird wiederum benötigte Energieeingespart sowie der Ausschmelzvorgang zeitlich verkürzt. im Rahmen der Erfindung ist unter Ausschmelzen sowohl zu verstehen, dass derKern zunächst annähernd vollständig aufgeschmolzen ist, mithin vom festenAggregatzustand in einen zumindest teilweisen insbesondere vollständig flüssigenAggregatzustand übergegangen ist und anschließend aus der Hülle ausFaserverbundwerkstoff ausgeschüttet wird. Alternativ ist im Rahmen der Erfindungallerdings auch unter einem Ausschmelzen zu verstehen, dass der Kern bereitswährend des Aufschmelzens, ab Erreichen der Formstabilität desFaserverbundwerkstoffes direkt aus der Hülle des hergestelltenFaserverbundbauteils austritt.

Weiterhin vorteilig ist es, wenn im Rahmen der Erfindung das Matrixharz unterVakuum in das Formwerkzeug injiziert wird. Hierdurch wird eine bessereDurchdringung in kürzerer injektionszeit ermöglicht, was die Qualität deshergesteilten Produktes steigert sowie die Herstellungszeit senkt.

Im Rahmen der Erfindung ist es sowohl möglich, dass zunächst der Aushärtevorgangüber einen Aushäriezeitraum bei einer Härtetemperatur stattfindet während sich derKern im festen Zustand befindet, es ist jedoch alternativ auch möglich, dass bereitswährend des Aushärtevorganges der Ausschmelzvorgang des Kerns zumindest inForm eines Aufschmelzens des Kerns beginnt. im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorteilig, wenn das Formwerkzeugfrühestens ab Erreichen der Formstabilität des Bauteils jedoch spätestens zu Beginnder vollständigen Verflüssigung des Kernmaterials in einen Winkel gekippt wird, sodass ein vollständiges Ausfiießen des Kernmaterials gewährleistet ist. Dabei ist derKippwinkel des Formwerkzeugs von der Bauteilgeometrie und dessenfertigungstechnischer Einbaulage abhängig, im Rahmen der Erfindung ist es auchmöglich, dass das Austreten des Kemmateriais durch den Kippwinkel desWerkzeuges gesteuert wird.

Weiterhin besonders bevorzugt wird in den auf dem Kern gewickelten Faserwerkstoffvor, während oder nach dem Temperieren zum Aushärten des Matrixharzes mindestens eine Öffnung eingebracht. Vorzugsweise werden zwei Öffnungeninsbesondere an gegenüberliegenden Seiten eingebracht.

Eine erste Öffnung wird bevorzugt ais Ausschmelzöffnung genutzt. Durch dieAusschmeizöffnung kann dann das im Innenraum des herzusteilendenFaserverbundbauteils befindliche aufgeschmoizene Kernmaterial ausfließen. DieÖffnung kann zunächst vor Einlegen in das Formwerkzeug in den Faserwerkstoffeingebracht werden, aber auch an dem in dem Formwerkzeug eingelegtenFaserwerkstoff, Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass die Öffnung erstnach Erreichen der Formstabiiität des Faserverbundwerkstoffes eingebracht wird.

Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere von Vorteil, wenn zunächst einGroßteil des Kernmateriales aufgeschmolzen ist, da durch das fluide Kernmaterialeine entsprechende Wärmeweitergabe durch Wärmeieitung erfolgt. Ist bereits dasausgeschmolzene Kernmateriai teilweise aus dem Faserverbundwerkstoffbauteilausgetreten, so entstehen Hohlräume und das noch feste Kernmaterial liegt nichtvoliflächig an den Innenwänden des herzusteilenden Faserverbundwerkstoffbauteils an und erfährt folglich eine geringere Wärmeleitung, wodurch die Aufschmelzzeit desin dem Bauteil verbleibenden Kernmaterials verlängert wird.

Die zweite Öffnung ist insbesondere als Druckregulierungsöffnung verwendet. Hierist es möglich, dass ein entsprechender Überdruck in das innere des hergestelltenFaserverbundwerkstoffbauteils eingebracht wird, so dass das aufgeschmolzeneKernmaterial aufgrund des Überdruckes schneller durch die Ausschmelzöffnung ausdem Faserverbundwerkstoffbauteil austritt.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, dass die Injektionspunkte undAnsaugpunkte im RTM Verfahren, zur Druckbeaufschlagung und zum Ausfließen desKernmaterials genutzt werden. Als Kernwerkstoff kommen Kerne aus schmelzbarenWerkstoffen zum Einsatz, beispielsweise auf Kunststoffbasis, insbesondereThermoplasten. Auch ist es vorstellbar Kerne aus Silikon oder Metall einzusetzen.

Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindungsind Gegenstand der folgenden Beschreibung.

Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestelit.Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

Figur 1a bis d den Verfahrensabiauf zur Herstellung eines erfindungsgemäßenFaserverbundwerkstoffbauteils und

Figur 2 einen Zeittemperaturverlauf während einem erfindungsgemäßen

Verfahren.

In den Figuren werden für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet,auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.

Figur 1a bis d zeigen einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Herstellungeines Faserverbundwerkstoffbauteils. Zunächst wird ein Kern 1, umwickelt mitFaserwerkstoff 2 in ein Formwerkzeug 3 eingelegt. Bei dem Faserwerkstoff 2 kannes sich erfindungsgemäß um verschiedene Fasern, insbesondere Glasfasern,Karbonfasern, Aramidfasern oder aber auch Basaltfasern handeln.

Der Kern 1 selbst kann dabei mit einem Roving umwickelt sein oder aber auch in einentsprechendes mattenförmiges Fasermaterial eingelegt sein oder aber auch in einVlies eingelegt sein. Im Rahmen der Erfindung wäre es auch vorstellbar, dassentsprechende Recyciingfasern genutzt werden.

Das Formwerkzeug 3 wird geschlossen, wobei dann ein Matrixharz 4 injiziert wird.Insbesondere erfolgt die Injizierung unter Druck p, wobei zusätzlich der entstandeneFormhohlraum mit Vakuum 5 beaufschlagt wird, so dass das Matrixharz 4entsprechend injiziert wird. Sodann findet eine entsprechende Temperatureinwirkungzum Aushärten des Matrixharzes 4 statt und zeitlich überlagert oder alternativunmittelbar an den Aushärtevorgang anschließend eine weitereTemperatureinwirkung, wobei das Formwerkzeug 3 auf die Härtetemperatur gebrachtwird.

Unmittelbar an die Härtezeit anschießend oder aber bereits während der Härtezeitbeginnend wird das Formwerkzeug 3 auf eine Ausschmeiztemperatur gebracht,wobei die Ausschmelztemperatur höher als die Härtetemperatur liegt. DasKernmateriai beginnt aufzuschmelzen und durch eine Ausschmelzöffnung 6 aufgrunddes Schwerkrafteinflusses aus dem Formwerkzeug 3 auszufließen. DasFormwerkzeug 3 kann dazu bevorzugt gekippt werden, wie in Figur 1c dargestellt.Dies kann durch Druckbeaufschlagung 8 verschnellert werden. Bevorzugt wird dieDruckbeaufschlagung 8 durch eine Druckregulierungsöffnung 7 verschnellert.Bevorzugt werden als Druckregulierungsöffnung 7 und als Ausschmelzöffnung 6 dieÖffnungen zum Injizieren des Matrixharzes 4 und/oder zum Beaufschlagen desFormhohiraumes mit einem Vakuum 5 genutzt. Im Anschluss daran wird dasFormwerkzeug 3 geöffnet und das hergestellte Formbauteil mit ausgeschmolzenemKern entnommen.

Figur 2 zeigt einen Zeittemperaturverlauf am Beispiel Polypropylen (Thermoplast) miteinem ungefähren Kernvoiumen von 2000 ccm, wobei auf die Y-Achse bezogen dieTemperatur T in Gradcelsius aufgezeichnet ist und auf die X-Achse bezogen die Zeitt in Minuten. Der Prozess beginnt bei einer Werkzeugtemperatur, die aufHärtetemperatur TH eingestellt ist. Dabei wird zum Zeitpunkt t=0 Matrixharz in dasWerkzeug injiziert, wobei die Härtetemperatur TH zunächst hier einer Temperatur T bei Harzinjektion entspricht. Diese beträgt vorzugsweise 50°C bis 70°C,insbesondere 60°C. Unmittelbar nach der Harzinjektion beginnt der Aushärteprozessdes Faserverbundwerkstoffes, wobei eine Formstabilität erreicht ist in einemZeitraum tFS nach bevorzugt 60°C bis 120 min, insbesondere 80 min bis 110 min,ganz besonders bevorzugt nach ca. 100 min.

Hier wird dann abhängig von dem verwendeten Kernmateriai und beispielsweiseauch der Wandstärke des hergestellten Faserverbundwerkstoffbauteils begonnen dieTemperatur T weiter zu erhöhen auf eine Ausschmeiztemperatur TA. DieAusschmelztemperatur TA beträgt vorzugsweise 100°C bis 150°C, insbesondere110°C bis 130°C und ganz besonders bevorzugt 120°C. Bereits bei Erhöhung desWerkzeuges auf Ausschmelztemperatur TA beginnt dann der AusschmelzvorgangtAS zum Schmelzpunkt S, wobei in einem weiteren Intervall eine Zeit tF benötigtwird, bis das Kernmateriai vollständig aufgeschmolzen ist. Dieses Zeitintervail tF, fürdie Zeit t in der der Kern verflüssigt ist, ist bevorzugt nach einer Gesamtprozesszeitvon ca. 100 min bis 150 min, vorzugsweise 120 min bis 140 min und ganz besondersbevorzugt 130 min abgeschiossen. Sodann wird das Werkzeug entweder gekipptoder aber eine entsprechende Druckreguiierungsöffnung geöffnet, so dass dasKernmaterial ausfließen kann. Der gesamte Prozess ist nach einer Zeit t von ca.200 min bis 220 min, insbesondere 210 min beendet zum Zeitpunkt tAS. In diesemZusammenhang ist bei dem gezeigten bevorzugten Verfahrensablauf vorgesehen,dass zwischen dem Erreichen der Formstabilität und dem Zeitpunkt tE desBeginnens des Ausschmelzens ein Zeitabstand größer 0 zu verzeichnen ist, was sichinsbesondere auf die Produktionsgenauigkeit des hergestellten Bauteils auswirkt.

Bezuqszeichen; 1 - Kern 2 - Faserwerkstoff 3 - Formwerkzeug 4 - Matrixharz 5 - Vakuum 6 - Ausschmeizöffnung 7 - Druckregulierungsöffnung 8 - Druckbeaufschlagung G - Schwerkraftp - DruckS - SchmelzpunktT - TemperaturTA - AusschmeiztemperaturTH - Harzinjektionstemperaturt - Zeit tAS - AusschmelzvorgangtE - Zeitpunkt ProzessendetF - Zeitintervall AufschmelzentFS - Zeit Formstabilität

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Hersteilung eines hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils miteinem ausgeschmolzenem Kern (1), gekennzeichnet, durch folgendeVerfahrensschritte: - Belegen eines Kerns (1) mit einem Faserwerkstoff (2), - Einlegen des belegten Kerns (1) in ein Formwerkzeug (3), - Injizieren von Matrixharz (4), - Temperieren des Formwerkzeuges (3) zum Aushärten des Matrixharzes (4), wobei teilweise die während des Aushärtens des Matrixharzes (4) freiwerdende exotherme Energie verwendet wird, das Kernmaterialaufzuschmelzen, - Ausschmelzen des Kerns (1), - Entnahme des Faserverbundwerkstoffbauteils aus dem Formwerkzeug(3).
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dasMatrixharz unter Vakuum (5) in das Formwerkzeug (3) injiziert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dasdas Ausschmelzen des Kerns (1) während des Härtens des Matrixharzes (4)beginnt oder dass das Ausschmelzen nach Erreichen einer Formstabilität beginnt.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass für das Temperieren das Formwerkzeug (3) auf eine Härtetemperatur vonvorzugsweise 40°C bis 80°C gebracht wird und während des Härtens oder nachdem Härten die Temperatur des Formwerkzeuges (3) auf eine Ausschmelztemperatur von vorzugsweise 100°C bis 140°C gebracht wird,wobei die Ausschmeiztemperatur höher ist gegenüber der Härtetemperatur,
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bisdadurch gekennzeichnet,dass das Formwerkzeug (3) während oder nach der Ausschmelzzeit in einemWinkel gekippt wird, wobei der Winke! von der Geometrie und Einbauiage desBauteils abhängig ist,
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den auf den Kern (1) belegten Faserwerkstoff (2)vor, während oder nach dem Temperieren mindestens eine Öffnungeingebracht wird, wobei vorzugsweise zwei Öffnungen eingebracht werden.
7. 7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung als Ausschmelzöffnung (6) genutzt wirdund vorzugsweise eine zweite Öffnung als Druckregulierungsöffnung (7), wobeidurch die Druckregulierungsöffnung (7) der in demFaserverbundwerkstoffbauteil entstehende Hohlraum mit einem Überdruckbeaufschlagt wird.
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1) aus einem aufschmelzbaren, bevorzugtwachsartigen Werkstoff ausgebildet ist, vorzugsweise aus einem Werkstoff aufPoiypropylenbasis.
9. 9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernwerkstoff zusätzlich mitwärmeleitfähigkeitssteigernden Additiven, insbesondere Grafit, versehen ist.