DE102007026229A1 - Process for producing a structural hollow component made of fiber-reinforced plastic - Google Patents
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Abstract
Zur Herstellung eines Strukturhohlbauteils aus faserverstärktem Kunststoff wird ein wasserdispergierbarer Stützkern aus einem wasserlöslichen Bindemittel, das zumindest teilweise aus einem wasserlöslichen silikathaltigen Bindemittel besteht, und einem Füllstoff mit den Verstärkungsfasern umwickelt. Die Fasern auf dem Stützkern werden mit einem härtbaren Kunststoff getränkt, der Kunststoff ausgehärtet und der Stützkern mit Wasser anschließend ausgeschwemmt.To produce a structural hollow component of fiber-reinforced plastic, a water-dispersible support core of a water-soluble binder, which consists at least partially of a water-soluble silicate-containing binder, and a filler with the reinforcing fibers wrapped. The fibers on the support core are impregnated with a hardenable plastic, the plastic cured and the support core then flushed out with water.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturhohlbauteiles aus faserverstärktem Kunststoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for producing a structural hollow component made of fiber-reinforced plastic according to the preamble of the claim 1.
Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffhohlbauteile wird u. a. das sogenannte RTM(Resign Transfer Molding)-Verfahren und das Vakuum-Injektionsverfahren verwendet.to Production of fiber-reinforced plastic hollow components is u. a. the so-called RTM (Resign Transfer Molding) method and used the vacuum injection method.
Dazu wird wenigstens eine Lage der z. B. uni- oder bidirektional gerichteten Verstärkungsfasern zwischen dem Ober- und dem Unterwerkzeug einer beheizten Presse gelegt und die Faserlage mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz mit Härter getränkt, der unter Druck in den Hohlraum mit der Faserlage zwischen Ober- und Unterwerkzeug injiziert wird. Ähnlich wird beim Vakuum-Injektionsverfahren vorgegangen, bei dem anstelle von Druck ein Vakuum angelegt wird, um den wärmehärtbaren Kunststoff in die Faserlage zu saugen.To is at least one layer of z. B. uni- or bidirectionally directed Reinforcing fibers between the upper and the lower tool a placed heated press and the fiber layer with a thermosetting Plastic, for example, an epoxy resin with hardener soaked, under pressure in the cavity with the fiber layer between the upper and lower tool is injected. Similar is used in the vacuum injection method, in which instead A vacuum is applied to the thermosetting by pressure To suck plastic into the fiber layer.
Für Automobile werden zahlreiche Strukturhohlbauteile verwendet, beispielsweise die Stützsäulen, Schweller, Stoßfänger und dergleichen. Diese Hohlbauteile werden dabei meist geklebt. Die Klebestelle kann jedoch zu einem Versagen führen. Zudem lässt die Masshaltigkeit geklebter Hohlbauteile zu wünschen übrig.For Automobiles are numerous structural hollow components used, for example the support columns, sills, bumpers and the same. These hollow components are usually glued. However, the splice can lead to failure. In addition, leaves the dimensional accuracy glued hollow components to be desired.
Für die Herstellung von Hohlbauteilen im RTM-Verfahren werden üblicherweise heute Schmelzkerne aus Wachs eingesetzt. Die dafür eingesetzten Prozesse sind wegen der Größe der Kerne sehr aufwändig. Weiterhin bedingt der große Wärmeausdehnungskoeffizient des Wachses eine aufwändige Abstimmung der notwenigen Fertigungsmittel. Nach der eigentlichen Bauteilherstellung werden die Materialien wieder ausgeschmolzen. Dabei verbleibt auf der Werkzeuginnenwand ein Restmaterial, was zum einen das Bauteilgewicht erhöht sowie kritisch hinsichtlich Emissionen und Lackverträglichkeit bewertet wird.For the production of hollow components in the RTM process are usually today, melted wax cores are used. The used for it Processes are very expensive because of the size of the cores. Furthermore, due to the large thermal expansion coefficient the wax a complex coordination of the necessary manufacturing means. To the actual component manufacturing, the materials are again rendered. Remaining material remains on the inner wall of the tool, which, on the one hand, increases the weight of the component and is critical with regard to Emissions and paint compatibility is assessed.
Aus
Zum
Umwickeln des Stützkerns kann eine Flechtanlage verwendet
werden, wobei sich der Stützkern im Auge der Flechtanlage
befindet, während die Verstärkungsfäden
unter hoher Spannung von der Peripherie abgezogen werden. Der Stützkern nach
Auch sind Stützkerne aus niedrig schmelzenden Wismutlegierungen verwendet worden. Wegen des hohen Energieaufwandes zum Schmelzen der Kerne, dem hohen Gewicht und der daraus resultierenden schwierigen Handhabbarkeit, aber auch wegen der Gesundheitsgefährdung durch Wismut-Dämpfe, sind diese Kerne in der Praxis jedoch nicht verwendbar.Also are supporting cores made of low-melting bismuth alloys used. Because of the high energy consumption for melting the Cores, the heavy weight and the resulting difficult Manageability, but also because of the health hazard by bismuth vapors, however, these cores are not in practice usable.
Ferner werden Stützkerne aus hochdichtem Schaumstoff eingesetzt, die in dem Bauteil verbleiben und damit zu einer entsprechenden Gewichtserhöhung führen.Further Support cores made of high-density foam are used, which remain in the component and thus to a corresponding Increase weight lead.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein RTM-Verfahren zur Herstellung von Strukturhohlbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff einen wasserdispergierbaren Stützkern bereitzustellen, der den hohen Abzugskräften beim Umwickeln mit den Verstärkungsfasern sicher standhält.task The invention therefore is for an RTM process for the production of structural hollow components made of fiber-reinforced plastic to provide a water-dispersible support core, the high pull-off forces when wrapping with the reinforcing fibers safely withstood.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergeben.This is according to the invention with the characterized in claim 1 Procedure achieved. In the subclaims are advantageous Embodiments of the invention play.
Der erfindungsgemäß verwendete Stützkern zeichnet sich dadurch aus, dass das wasserlösliche Bindemittel zumindest teilweise ein Silikat enthält. Vorzugsweise wird als Bindemittel ein Wasserglas verwendet. Das Bindemittel ist dadurch gekennzeichnet, dass das SiO2/M2O-Gewichtsverhältnis bevorzugt im Bereich von 1,6 bis 4,0 insbesondere 1,8 bis 3,5 liegt, wobei M Natrium- und/oder Kalium- und/oder Lithiumionen bedeutet. Das Bindemittel weist vorzugsweise einen Feststoffanteil an SiO2 und M2O im Bereich von 30 bis 60 Gew.-% auf.The support core used according to the invention is characterized in that the water-soluble binder at least partially contains a silicate. Preferably, a water glass is used as the binder. The binder is characterized in that the SiO 2 / M 2 O weight ratio is preferably in the range of 1.6 to 4.0, in particular 1.8 to 3.5, where M is sodium and / or potassium and / or lithium ions means. The binder preferably has a solids content of SiO 2 and M 2 O in the range of 30 to 60 wt .-%.
Der Stützkern weist einen relativ geringen Anteil an Bindemittel von vorzugsweise 0,5 bis 8, insbesondere 1 bis 5 Gew.-% und damit einen entsprechend hohen Füllstoffanteil auf. Dadurch wird eine hohe Festigkeit erzielt, sodass er den hohen Abzugskräften beim Konfektionieren, d. h. Umwickeln, insbesondere Geflechten mit den Verstärkungsfasern standhält.Of the Support core has a relatively low proportion of binder of preferably 0.5 to 8, in particular 1 to 5 wt .-% and thus a correspondingly high proportion of filler. This will Achieves a high strength, so he the high withdrawal forces during assembly, d. H. Wrapping, especially braiding with Withstands the reinforcing fibers.
Als Verstärkungsfasern werden vorzugsweise Kohlenstofffasern eingesetzt. Jedoch können auch andere Verstärkungsfasern verwendet werden, beispielsweise Glasfasern. Die Konfektionierung wird vorzugsweise mit einer Flechtanlage durchgeführt, wie sie zum Flechten von Kabeln und Seilen verwendet wird, wobei der Stützkern im Auge der Anlage den Platz der Kabel- bzw. Seilseele einnimmt.When Reinforcing fibers are preferably carbon fibers used. However, other reinforcing fibers may be used used, for example, glass fibers. The packaging is preferably carried out with a braiding system, such as it is used for braiding cables and ropes, the Support core in the eye of the plant the place of cable or Rope core occupies.
Die Herstellung des faserverstärkten Strukturhohlbauteils erfolgt dann vorzugsweise nach dem RTM-Verfahren. Das heißt, der konfektionierte Stützkern wird zwischen die beiden Werkzeuge, also beispielsweise das Ober- und das Unterwerkzeug einer beheizten Presse gelegt, worauf die Verstärkungsfasern auf dem Stützkern mit einem wärmehärtbaren Kunststoff, beispielsweise einem Epoxidharz imprägniert werden, das in den Hohlraum mit dem Stützkern zwischen den beiden Werkzeugteilen injiziert wird. Dabei kann das Resign-Transfer-Molding(RTM)-Verfahren durchgeführt werden, bei dem der wärmehärtbare Kunststoff unter einem Druck von 10 bar und mehr in den Hohlraum gepresst wird, oder das Vakuum-Injektionsverfahren, bei dem der wärmehärtbare Kunststoff in den Hohlraum gesaugt wird. Nach dem Aushärten des Harzes wird entformt und der Stützkern mit Wasser ausgeschwemmt, sodass das faserverstärkte Strukturhohlbauteil gebildet wird.The production of the fiber-reinforced structural hollow component is then preferably carried out by the RTM process. That is, the prefabricated support core is between the two tools, so at For example, laid the top and bottom tools of a heated press, whereupon the reinforcing fibers are impregnated on the support core with a thermosetting plastic, such as an epoxy resin, which is injected into the cavity with the support core between the two tool parts. In this case, the resign transfer molding (RTM) method can be carried out, in which the thermosetting plastic is pressed under a pressure of 10 bar and more in the cavity, or the vacuum injection method in which the thermosetting plastic sucked into the cavity becomes. After curing of the resin is removed from the mold and the support core flushed with water, so that the fiber-reinforced structural hollow component is formed.
Das verwendete Wasserglas kann beispielsweise ein Natronwasserglas sein. Jedoch können auch andere Wassergläser verwendet werden, insbesondere Kaliwasserglas oder auch Lithiumwasserglas.The used water glass may for example be a soda water glass. However, other water glasses can also be used especially potash or lithium water glass.
Neben dem Wasserglas kann das Bindemittel weitere Alkalimetallverbindungen enthalten, die in fester Form oder als wässrige Lösung zugesetzt werden können, beispielsweise Natrium- oder Kaliumhydroxid oder in gelöster Form Natron- bzw. Kalilauge. Über diese Zusätze kann zum Beispiel das Modul (SiO2/M2O-Verhältnis) und der Feststoffanteil gesteuert werden.In addition to the water glass, the binder may contain further alkali metal compounds which may be added in solid form or as an aqueous solution, for example sodium or potassium hydroxide or in dissolved form sodium or potassium hydroxide solution. By means of these additives, for example, the modulus (SiO 2 / M 2 O ratio) and the solids content can be controlled.
Der Füllstoff besteht aus einem wasserunlöslichen teilchenförmigen Material, vorzugsweise zumindest teilweise aus Sand. Der Sand weist vorzugsweise eine mittlere Korngröße von 100 bis 500 μm auf.Of the Filler consists of a water-insoluble particulate material, preferably at least partially made of sand. The sand preferably has a mean grain size from 100 to 500 μm.
Der
Sand hat neben der Festigkeit, die er dem Stützkern verleiht,
auch bei der Herstellung des Stützkerns eine wichtige Funktion.
Die Stützkerne für das erfindungsgemäße
Verfahren werden nämlich vorzugsweise mit einer Kernschießmaschine
hergestellt, wie sie beispielsweise in
Damit das Gemisch aus Füllstoff, Wasser gelöstem Bindemittel und Wasser, das nach der Erfindung vorzugsweise zum Einschiessen verwendet wird, die für das Einschießen in das Formwerkzeug erforderliche Fluidität aufweist, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Sandanteil des Füllstoffs mindestens 30 Gew.-% beträgt.In order to the mixture of filler, water dissolved binder and water, according to the invention preferably for injection used for shooting into the Forming tool has required fluidity, it has proved to be expedient that the sand content of Filler is at least 30 wt .-%.
Weiterhin enthält der Füllstoff vorzugsweise Kunststoffteilchen, normalerweise mit einer mittleren Korngröße von 100 μm bis 2 mm. Die Kunststoffteilchen sind vorzugsweise aus zerkleinertem Kunststoffabfällen gebildet. Damit die Teilchen eher kugelförmig ausgebildet sind, wird vorzugsweise Kunststoffgranulat verwendet. Durch die Kugelform wird die erwähnte Fluidität des Gemischs aus Füllstoff, gelöstem Bindemittel und Wasser entsprechend erhöht.Farther the filler preferably contains plastic particles, usually with a mean particle size of 100 μm to 2 mm. The plastic particles are preferably formed from shredded plastic waste. So that Particles are more spherical, preferably Used plastic granules. By the spherical shape is mentioned Fluidity of the mixture of filler, dissolved Binder and water increased accordingly.
Durch die Kunststoffteilchen wird zudem die Elastizität des Stützkerns erhöht, also seine Sprödigkeit reduziert. Zugleich kann das Gewicht der Stützkerne durch den Einsatz von Kunststoffteilchen als Füllstoff wesentlich erniedrigt werden. Vorzugsweise beträgt der Anteil des Kunststoffs am Füllstoff mindestens 10 Gew.-%. Er kann jedoch auch deutlich höher liegen und 50 Gew.-% und mehr betragen. Damit können wesentlich leichtere und damit entsprechend besser handhabbare Kerne erhalten werden.By The plastic particles also becomes the elasticity of the support core increased, so its brittleness reduced. at the same time can reduce the weight of the support cores through the use of plastic particles be substantially reduced as a filler. Preferably the proportion of the plastic in the filler at least 10 wt .-%. However, it can also be significantly higher and 50 wt .-% and more. This can be much easier and thus correspondingly better manageable cores are obtained.
Eine Gewichtsreduzierung der Kerne ist ferner mit Keramikteilchen oder Glashohlkugeln erzielbar. Die Keramikteilchen können beispielsweise durch Flugasche gebildet sein. Da die Flugascheteilchen ebenfalls eher kugelförmig ausgebildet sind, wird mit ihnen zugleich die für das Einschiessen erforderliche Fluidität sichergestellt. Dies gilt natürlich erst recht für Glashohlkugeln als Füllstoff. Die mittlere Teilchengröße der Keramikteilchen und der Glashohlkugeln kann beispielsweise 50 bis 800 μm betragen.A Weight reduction of the cores is further with ceramic particles or Glass bubbles can be achieved. The ceramic particles can, for example, by Fly ash be formed. Since the fly ash particles also rather are formed spherical, with them at the same time Ensured for the shooting required fluidity. Of course, this is especially true for glass bubbles as a filler. The mean particle size the ceramic particles and the hollow glass spheres can be 50, for example be up to 800 microns.
Der Wasseranteil des Formstoffs, also des Gemisches aus Füllstoff, Bindemittel und Wasser, liegt vorzugsweise bei 0,2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Füllstoffs. Dadurch wird die Verarbeitbarkeit des Formstoffs beim Einbringen in das Formwerkzeug, beispielsweise durch Einschießen oder Einpressen, sichergestellt. Der Wassergehalt wird jedoch möglichst niedrig gewählt, da der Stützkern vor dem Entformen getrocknet werden muss, damit er die erforderliche Festigkeit besitzt.Of the Water content of the molding material, ie the mixture of filler, Binder and water, is preferably 0.2 to 5 wt .-%, based on the weight of the filler. This will be the Processability of the molding material when introduced into the mold, for example, by shooting or pressing, ensured. The water content, however, is chosen as low as possible, because the support core must be dried before demolding, so that he has the required strength.
Ein bevorzugter Formstoff besteht beispielsweise aus 0,5 bis 5 Gew.-%, insbesondere 1 bis 2 Gew.-% silikathaltigem wasserlöslichen Bindemittel, mit einem SiO2/M2Ο-Verhältnis bevorzugt im Bereich von 1,6 bis 4,0, wobei M Natrium- und/oder Kalium- und/oder Lithiumionen bedeutet, und einem Feststoffanteil von 30 bis 60%; und Rest Sand.A preferred molding material consists for example of 0.5 to 5 wt .-%, in particular 1 to 2 wt .-% silicate-containing water-soluble binder, with a SiO 2 / M 2 Ο ratio preferably in the range of 1.6 to 4.0, wherein M means sodium and / or potassium and / or lithium ions, and a solids content of 30 to 60%; and rest sand.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Strukturhohlbauteile aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden. Im Automobilbereich sind insbesondere die Stützsäulen, also die A-, B- und C-Säule, Schweller und Stoßfänger als Beispiele für solche faserverstärkte Strukturhohlbauteile zu nennen.To the method of the invention can Any structural hollow components made of fiber-reinforced plastic getting produced. In the automotive sector, in particular, the support columns, So the A-, B- and C-pillar, sills and bumpers as examples of such fiber-reinforced structural hollow components to call.
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