DE10024814A1 - Herstellverfahren für ein Kunststoff-Sandwichbauteil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für ein Sandwichbauteil, welches neben einer faserverstärkten Kunststoffschicht eine an dieser anliegende Kunststoff-Schaumschicht aufweist, wobei zunächst eine noch nicht mit einer Kunstharz-Martrix versehene Faserverstärkungs-Mitte in einem Hinterschäumwerkzeug mit der Kunststoff-Schaumschicht hinterschäumt wird, und wonach in die Faserverstärkungsmatte die Kunstharz-Matrix eingebracht wird. Dabei wird das die Kunststoff-Schaumschicht bildende Schaummaterial nach dem Einlegen der Faserverstärkungsmatte in das geöffnete und/oder geschlossene Schäumwerkzeug eingebracht und härtet in diesem vor dem Entnehmen des Bauteils aus. Bevorzugt nach Entnahme des Bauteils aus dem Hinterschäumwerkzeug wird an der Faserverstärkungs-Matte ein Kunstharz-Injektionsverfahren durchgeführt, um hierdurch die faserverstärkte Kunststoffschicht zu bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellverfahren für ein Sandwichbauteil, welches neben einer faserverstärkten Kunststoffschicht eine an dieser anliegende Kunststoff-Schaumschicht aufweist.

Zum technischen Umfeld wird beispiels­ halber auf die DE-OS 29 10 173 verwiesen.

Üblicherweise werden zur Herstellung von Kunststoff-Sandwichbauteilen, d. h. bevorzugt extrem stabilen Leichtbaukonstruktionen, Schaumkerne aus den verschiedensten Schaumstoffen separat in speziellen Fertigungsschrit­ ten hergestellt. Diese Kerne werden anschließend in einem weiteren Verar­ beitungsschritt in Verbindung mit faserverstärkten Kunststoffen zu den sog. Sandwichbauteilen komplettiert.

Dabei müssen die Schaumkerne zunächst in eigenen Fertigungsanlagen hergestellt und vor der Weiterverarbeitung, d. h. vor dem Verbinden mit der Faserstruktur, für diese Weiterverarbeitung vorbereitet werden, wobei ein Beschneiden, Fräsen, Schleifen, Bohren o. ä. erforderlich sein kann. Insbe­ sondere jedoch müssen die Oberflächen dieser Schaumkerne vor der Wei­ terverarbeitung gestrahlt, geschliffen, plasmabehandelt, d. h. allgemein akti­ viert werden, um eine gute Verbindung mit der ebenfalls separat vorgefer­ tigten faserverstärkten Kunststoffschicht zu gewährleisten.

Wegen der vielfältigen vorbereitenden Arbeitsschritte werden verschiedene separate Fertigungsanlagen benötigt, die jeweils Abfall- und Recyclingkosten verursachen. Nachteiligerweise hat ferner die Maßhaltigkeit der vorgefertig­ ten Schaumkerne einen großen Einfluss auf die Maßhaltigkeit der fertigen Sandwichbauteile. Im übrigen kann es je nach Schaumsystem und ausge­ wähltem (bereits genannten) Oberflächen-Aktivierungsverfahren und den in den Faserverstärkungen eingesetzten Faserarten und Harzsystemen zu Haftungs- und Maßhaltigkeitsproblemen kommen.

Zwar ist es aus der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift 29 10 173 bekannt, Kunststoff-Sandwichteile, insbesondere Karosserieteile, im Hinblick auf eine Reduzierung der benötigten Werkzeuge oder Anlagen derart zu fertigen, daß zunächst eine faserverstärkte Außenschicht als Lami­ nat hergestellt wird, auf welches dann eine Zweikomponenten-Schaum­ schicht aufgespritzt wird, jedoch können hiermit zum einen nur relativ dünne Schaumschichten erzeugt werden. Insbesondere jedoch stellt sich auch hierbei das Problem, daß eine ausreichende Haftung zwischen dem faser­ verstärkten Laminat und der hierauf aufgetragenen Schaumschicht nicht unter allen Umständen bzw. für alle möglichen Kunststoffmaterial- Kombinationen gewährleistet ist.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine noch nicht mit einer Kunstharz-Matrix versehene Faserverstärkungs-Matte in einem Hinterschäumwerkzeug mit der Kunststoff-Schaumschicht hinter­ schäumt wird, und daß danach in die Faserverstärkungsmatte die Kunstharz- Matrix eingebracht wird. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Un­ teransprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Kunststoff-Sandwichbauteil derart hergestellt, daß das ausgewählte Schaumsystem direkt auf der in der Kavität befestigte Fa­ serverstärkung aufgeschäumt wird. Gebildet werden somit direkt hinter­ schäumte faserverstärkte Leichtbaustrukturen, wobei wesentlich ist, daß die sog. Faserverstärkung in Form einer bevorzugt vorgeformten Matte oder dgl. zu diesem Zeitpunkt noch nicht mit einer Harzmatrix ausgefüllt ist. Im Schaumwerkzeug liegt somit zunächst, d. h. vor dem Einbringen des Kunst­ stoff-Schaummaterials, nicht anderes als die reine Faserverstärkung ohne einhüllendes Kunststoffmaterial vor, d. h. abweichend von der oben erläuter­ ten DE-OS liegt noch kein Laminat vor. Dies hat zur Folge, daß durch das Aufbringen des Schaumsystems auf die Faserverstärkung eine hervorragen­ de Anhaftung des Schaumsystems an der Faseroberfläche erfolgt. Dadurch werden die o. g. Haftungsprobleme die zwischen der Oberfläche der Faser­ verstärkungsmatte und der Schaumoberfläche vermieden.

Darauf hingewiesen sei in diesem Zusammenhang, daß sich das aufge­ brachte Schaumsystem lediglich an der Oberfläche der Faserverstärkungs­ matte mit der Verstärkungsfaser verbindet, daß jedoch eine komplette Durchdringung der Faserverstärkungs-Matte oder dgl. nicht stattfindet. Viel­ mehr erfolgt eine Durchdringung der Faserverstärkungsmatte mit einem Kunststoffmaterial in einem darauf folgenden Verfahrensschritt, in welchem die geeignete Kunstharzmatrix in die Faserverstärkungsmatte eingebracht wird, in welchem also quasi das Laminat hergestellt wird. Diese Weiterverar­ beitung des Sandwichbauteiles mit einem Harzinjektionsverfahren (z. B. RTM-Verfahren oder ähnlichem, abgewandelten Verfahren) ist dabei pro­ blemlos zu bewerkstelligen. Dies kann bei geeigneter Gestaltung sowohl in­ nerhalb des genannten Schaumwerkzeuges erfolgen, als auch - im Hinblick auf geringe Fertigungstaktzeiten -, außerhalb desselben, d. h. nach Entnah­ me des soweit in diesem gefertigten Bauteils aus dem Hinterschäumwerk­ zeug.

Durch das erfindungsgemäße Einbringen des Kunststoff-Schaummaterials bzw. des sog. Schaumsystems in die Kavität des Hinterschäumwerkzeuges, in welchem sich bereits die zu hinterschäumende Faserverstärkungsmatte befindet, werden im übrigen auch die eingangs geschilderten Maßhaltig­ keitsprobleme vermieden, welche bei getrennt gefertigten Einzelteilen auf­ treten können. Dabei können auch weitere Einlegeteile in diesem Hinter­ schäum-Prozess eingebunden und integriert werden. Diese werden dann durch geeignete Mittel in der Kavität des Hinterschäumwerkzeuges fixiert und sind dadurch ebenfalls äußerst maßhaltig in das herzustellende Sand­ wichbauteil zu integrieren. Hingegen können die eingangs genannten Bear­ beitungsschritte bezüglich der Oberflächen im Hinblick auf Formgebung und Oberflächenaktivierung vollständig entfallen. Erwähnt sei noch, daß die Handhabungsfestigkeit der bereits hinterschäumten Faserverstärkungs- Matte mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren stark ansteigt, wodurch Ausschuss- und Bearbeitungskosten stark sinken.

Generell können als Kunststoff-Schaummaterial alle maschinell zu verarbei­ tenden Schaumsysteme zum Einsatz kommen, wobei je nach Anforderung deren Raumgewichte stark variieren bzw. entsprechend eingestellt werden können. Für die sog. und ggf. vor dem Einlegen in das Hinterschäumwerk­ zeug bereits vorgeformte Faserverstärkungs-Matte können insbesondere flächige, zu Preformlingen (Vorformlingen) verarbeitete Faserarten, wie Glasfasern, Kohlenstofffasern, p-Armidfasern, etc. zum Einsatz kommen. Unter dem Begriff der Faserverstärkungsmatte sind dabei allgemeine flächi­ ge Faserverstärkungen in Form von Vliesen, Wirrfasermatten, Gestricken, Geweben, Gelegen, Schläuchen, Bändern, Tapes und dgl., jeweils in unter­ schiedlichsten Flächengewichten und Macharten, zu verstehen.

Vorteilhafterweise ist mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren eine gleichmäßige Wandstärke der Faserverstärkung durch die gegebene Maß­ haltigkeit und durch den beim Ausschäumen entstehenden Innendruck des Schaumsystems auf die faserverstärkten Preformlinge in sehr engen Tole­ ranzen gewährleistet. Daraus ergeben sich in Folge sehr definierte Faservo­ lumengehalte und wiederum in Folge definiertere und reproduzierbare Fe­ stigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des Sandwichbauteiles bzw. der so gebildeten Leichtbaustrukturen. Allgemein lassen sich durch diesen integra­ tiven Prozess viele einzelne Verarbeitungs- und Prozessschritte einsparen, bzw. vermeiden. Dies wiederum hat einen hohen Kostenreduzierungsfaktor zur Folge.

Anhand der beigefügten Figurenfolge (Fig. 1-4) wird im folgenden die Er­ findung anhand eines prinzipiell dargestellten Verfahrensablaufes weiter be­ schrieben. Dabei sind gleiche Elemente stets mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. So trägt ein aus einer Oberform 1a und einer Unterform 1b zu­ sammengesetztes Hinterschäumwerkzeug die Bezugsziffer 1. In diesem wird ein in Fig. 4 dargestelltes Kunststoff-Sandwichbauteil 2 (zumindest teilweise) hergestellt, welches aus zwei faserverstärkten Kunststoffschichten 2a*, 2b* besteht, die hier randseitig aufeinanderliegen und zwischen denen innerhalb dieses Randbereiches eine Kunststoff-Schaumschicht 2c vorgesehen ist. In diese sind (hier zwei) sog. Einlegeteile 2d eingebettet.

Fig. 1 zeigt, daß zunächst zwei letzlich die faserverstärkten Kunststoff­ schichten 2a*, 2b* bildenden Faserverstärkungsmatten 2a und 2b mit den daran geeignet fixierten Einlegeteilen 2d in das geöffnete Hinterschäum­ werkzeug 1 bzw. in dessen Formhohlraum (Kavität) 1c eingebracht werden. Dabei handelt es sich bei den Faserverstärkungsmatten 2a, 2b im wesentli­ chen um das pure Fasermaterial, d. h. diese Matten 2a, 2b sind noch nicht mit einer Kunststoff-Matrix versehen.

Beim Verfahrensschritt nach den Fig. 2a, 2b ist die (obere) Faserverstär­ kungsmatte 2a an der Innenseite der Oberform 1a und die (untere) Faser­ verstärkungsmatte 2b an der Innenseite der Unterform 1b anliegend geeig­ net befestigt. In diesem Verfahrensschritt erfolgt nun der Eintrag von Kunst­ stoff-Schaummaterial 3 in den Formhohlraum 1c des Hinterschäumwerkzeu­ ges 1, genauer zwischen die beiden Faserverstärkungsmatten 2a, 2b. Dabei zeigt Fig. 2a den Schaumeintrag in das geöffnete Hinterschäumwerkzeug 1, welches dann erst nach dem Schaumeintrag geschlossen, d. h. in den in Fig. 3 dargestellten Zustand überführt wird, während bei der Darstellung nach Fig. 2b der Schaumeintrag in das bereits geschlossene Hinter­ schäumwerkzeug 1 durch geeignete Angußsysteme und Mischkopfan­ schlüsse erfolgt. Der Mischkopf der Schaumanlage ist dabei mit der Bezugs­ ziffer 4a versehen, ein zugeordnetes Angußsystem, über welches das Schaummaterial 3 in den Formhohlraum 1c eingebracht wird, mit der Be­ zugsziffer 4b.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie darauffolgend der Schaumkern bzw. die Kunst­ stoff-Schaumschicht 2c im geschlossenen Hinterschäumwerkzeug 1 aus­ härtet. Hierbei werden die Faserverstärkungsmatten 2a, 2b sowie die Einle­ geteile 2d ausreichend fest mit der Schaumschicht 2c verbunden, so daß der hiermit geschaffene Verbund zumindest für das weitere Handling ausrei­ chend stabil ist. Wie bereits beschrieben, wird nämlich als nächstes in die Faserverstärkungsmatten 2a, 2b eine geeignete Kunstharz-Matrix einge­ bracht, um hiermit, sobald diese dann faserverstärkte Kunststoffschichten 2a*, 2b* ausgehärtet sind, das Sandwichbauteil 2 fertigzustellen. Dieses Einbringen der Kunstharz-Matrix in einem üblichen Kunstharz-Injektions­ verfahren kann im geeignet gestalteten Hinterschäumwerkzeug 1 oder au­ ßerhalb desselben ohne jegliche weitere zusätzliche Nacharbeit erfolgen, d. h. nachdem das Sandwichbauteil 2 - wie in Fig. 4 dargestellt, aus dem Werkzeug 1 entnommen wurde.

Claims (3)

1. Herstellverfahren für ein Sandwichbauteil (2), welches neben einer faserverstärkten Kunststoffschicht (2a*, 2b*) eine an dieser anliegen­ de Kunststoff-Schaumschicht (2c) aufweist, wobei zunächst eine noch nicht mit einer Kunstharz-Matrix versehene Faserverstärkungs-Matte (2a, 2b) in einem Hinterschäumwerkzeug (1) mit der Kunststoff- Schaumschicht (2c) hinterschäumt wird, und wonach in die Faserver­ stärkungsmatte (2a, 2b) die Kunstharz-Matrix eingebracht wird.

2. Herstellverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kunststoff-Schaumschicht (2c) bildende Schaummaterial nach dem Einlegen der Faserverstär­ kungsmatte (2a, 2b) in das geöffnete und/oder geschlossene Hinter­ schäumwerkzeug (1) eingebracht wird und in diesem vor dem Ent­ nehmen des Sandwichbauteils (2) aushärtet.

3. Herstellverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Entnahme des Sandwichbauteils (2) aus dem Hinterschäumwerkzeug (1) an der Faserverstärkungs- Matte (2a, 2b) ein Kunstharz-Injektionsverfahren durchgeführt wird, um hierdurch die faserverstärkte Kunststoffschicht (2a*, 2b*) zu bil­ den.