-
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug.
-
Im Leichtbau, insbesondere im Automobilbau werden für tragende Konstruktionskomponenten zunehmend faserverstärkte Verbundbauteile eingesetzt. Für den gewichts- und kostenoptimierten Leichtbau mit Faserverbundbauteilen ist der Einsatz der kostenbestimmenden Werkstoffe, insbesondere der Faseranteile zu minimieren. Hierfür wurde vorgeschlagen, dass die Fasern kraftflussgerecht in der Bauteilstruktur integriert werden, ohne dass ein Faserverschnitt anfällt. Dies wird durch verschiedene Textiltechniken, wie z. B. Flechten, Weben, Nähen usw., ermöglicht, die zur Herstellung von so genannten Faservorformlingen (so genannte Preforms) für endlosfaserverstärkte Verbundbauteile eingesetzt werden. Diese Verfahren ermöglichen die Erkenntnisse von Kraftfluss- und Spannungsanalysen in eine entsprechend textile Verstärkungsstruktur. Bei Verwendung einer Stick- oder Nähtechnik werden die Verstärkungsfasern mit einem Stickautomaten entsprechend den Anforderungen aus der analytischen Bauteilberechnung auf einem Stickgrund fixiert. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass nach der Herstellung der Preform die entsprechende Faserstruktur mit Harz bzw. Kunststoff imprägniert werden muss. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Verfahrensschritt, der die Zykluszeiten des Fertigungsprozesses deutlich erhöht. Bei der Verwendung von duroplastischen Werkstoffen zur Herstellung der Matrix des Faserverbundbauteils stehen für diese nachträgliche Imprägnierung der Faserstruktur so genannte Infusionsverfahren, wie z. B. RTM (Resin Transfer Molding, SRIM (Structural Resin Injection Malding), oder Vakuuminjektion zur Verfügung, bei der die Kunststoffmatrix mittels eines Kolbens in ein entsprechendes Formnest des Faserverbundbauteils eingespritzt wird und unter Wärme und Druck aushärtet. Die Infusions-Verfahren sind jedoch relativ aufwändig und lassen nur eine geringe Produktivität aufgrund relativ langer Produktionszyklen zu. Des Weiteren sind so genannte Prepregs bekannt mit denen üblicherweise ein endlosfaserverstärktes duroplastisches Halbzeug bezeichnet wird. Nachteilig an diesen vorimprägnierten Fasern ist jedoch, dass das entstehende Halbzeug aufgrund seiner Beschaffenheit nur für geometrisch einfache Strukturen anwendbar ist und zudem einen sehr hohen Verbrauch an Fasermaterial bedingt, da immer ein Zuschneiden der Prepregs auf die gewünschte Kontur bzw. Form des Faserverbundteils erfolgen muss. Dadurch entstehen entsprechende Faserabfälle, die die Herstellung von Faserverbundbauteilen unter Verwendung von Prepregs deutlich verteuern.
-
Ein weiterer Nachteil ist, dass z. B. Schalen-Bauteile vollflächig aus dem teuren Verbundwerkstoff hergestellt werden müssen, obwohl nur in Teilbereichen strukturelle Eigenschaften benötigt werden. Das so genannte Tailored Fiber Placement (Verwendung schmaler vorimprägnierter Bändchen) stellt hierzu eine Weiterentwicklung dar. Die Einschränkung bezüglich Bauteilgeometrie und Materialeinsatz gilt jedoch auch hier.
-
In der
DE 3226290 A1 wird ein Verfahren und und eine Vorrichtung zum gesteuerten Ablegen von Fasern auf eine Bauteilform, insbesondere zum Herstellen von Teilen aus Faserverbundwerkstoffen beschrieben. Die Vorrichtung hat einen Ablegekopf, in den ein von einer oder mehreren Vorratsrollen zugeführter Faserstrang bzw. Faserstränge eingeführt werden. Der Ablegekopf ist entweder an einer über der Form angebrachten hin- und herfahrenden Fahrbühne oder an einem Arm eines in jeder Richtung schwenkbaren Roboters angebracht.
-
In der
DE 69623475 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserhaltigen Formartikels beschrieben, wobei ein Stapel aus kreuzweise angeordneten Monolagen aus unidirektional orientierten Verstärkungsfasern und Kunststoffmatrixmaterial hergestellt und anschließend verpresst wird.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine optimierte Fasermaterialausnutzung und verringerte Zykluszeiten des Fertigungsprozesses gewährleistet.
-
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der eine optimierte Fasermaterialausnutzung und verringerte Zykluszeiten des Fertigungsprozesses gewährleistet sind.
-
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
-
Das Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug umfasst erfindungsgemäß die folgenden Schritte:
- a) Aufbringen von formbarem und vernetzbarem Matrixmaterial aus Harz und/oder aus Matrixfasern, auf Verstärkungsfasern oder -faserbündel unter Bildung von Fasermaterial
- b) Aufbringen des Fasermaterials mittels Weben und/oder mittels Flechten und/oder mittels Sticken und/oder mittels Nähen auf eine die Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur zur Herstellung einer Preform (30), wobei die Anordnung des Fasermaterials bezogen auf das herzustellende Faserverbundbauteil (20) kraftfluss- und spannungsoptimiert erfolgt und
- c) Aushärten des auf das Trägermaterial aufgebrachten Fasermaterials unter Bildung eines Faserverbundbauteils
-
Durch das erfindungsgemäße Aufbringen des Matrixmaterials auf die einzelnen Fasern oder Faserbündel des Faserverbundwerkstoffs und der anschließenden Verarbeitung dieser Fasern und Faserbündel durch eine anschließende textile Verarbeitung, können endkonturnahe Vorformlinge erzeugt werden, die anschließend durch eine entsprechende Aushärtung in ein entsprechendes Faserverbundbauteil umgewandelt werden.
-
Unter dem Matrixmaterial ist dabei die formbare Vorstufe der späteren Matrix des entsprechenden Verbundbauteils zu verstehen. Hierbei kann es sich um flüssige aushärtbare Harze oder Kunststoffe handeln. Ebenso sind auch Kunststoffgemische aus formbaren und härtbaren Anteilen geeignet. Die Matrixfasern wirken hier wie die formbare Vorstufe der späteren Matrix des entsprechenden Verbundbauteils.
-
Ein weiterer Typ an Matrixmaterial sind feste Harze, die beispielsweise als Feinpulver aufgetragen werden können, oder in Lösung auf die Faser aufgezogen und getrocknet werden können. Geeignete Feststoff-Harze sind intermediär schmelzbar, damit vor deren Aushärtung im Schritt c) eine gleichmäßige Infiltration der Verstärkungsfasern erfolgen kann. Zu bevorzugten Harzen zählen hierbei schmelzbare Phenolharze, welche thermisch ausgehärtet werden.
-
Werden Matrixfasern eingesetzt so erfolgt dies bevorzugt in der Form von Hybridgarnen aus Verstärkungsfasern Matrixfasern. Die Matrixfasern sind dabei geeignet bei der Aushärtung im Schritt c) ebenfalls auszuhärten. Werden die Matrixfasern ohne Harz eingesetzt, so sind nur intermediär schmelzende Fasertypen geeignet. Hierbei kann es sich um vorvernetzte Polymerfasern handeln, die thermisch vollständig aushärten. Werden Matrixfasern und Harz eingesetzt, können auch nichtschmelzbare Kunststofffasern eingesetzt werden, die dann weiter aushärtbar oder mit dem Harz vernetzbar sind.
-
Da während der Aushärtung, bzw. dem Aufschmelzen und Aushärten der Matrixfasern automatisch die Imprägnierung, bzw. Durchdringung der Verstärkungsfasern und -faserbündel durch das Matrixmaterial aus Kunststoff erfolgt, kann erfindungsgemäß auf einen zusätzlichen Imprägnierungsschritt verzichtet werden.
-
Das Aushärten kann thermisch und/oder photoinitiiert, oder auch durch Kalthärtung erfolgen.
-
Zu den bevorzugten Aushärteverfahren zählt die thermische Aushärtung, insbesondere unter äußerem Druck, da während oder unmittelbar vor der Aushärtung die Harzviskosität sinkt, beziehungsweise Feststoff-Harze aufschmelzen und das Harz in die von den Fasern gebildeten Zwischenräume fließt. Die thermische Härtung wird durch angepasste Erhitzung durchgeführt, wobei die Matrixfasern und/oder das Harz vor dem Aushärten unterhalb der Aushärtetemperatur des Fasermaterials aufschmelzen und bei Erreichen der Aushärtetemperatur thermisch vernetzen.
-
Das photoninitiierte Aushärten, insbesondere durch UV-Licht, wird bevorzugt für Fasermaterial mit flüssigen Harzen angewendet. Gegebenenfalls kann zunächst eine photochemische Vorvernetzung und hierauf eine thermische Endvernetzung erfolgen.
-
Dadurch ergeben sich verringerte Zykluszeiten des Fertigungsprozesses, so dass die Kosten für die Herstellung der Faserverbundbauteile deutlich gesenkt werden können. Von besonderem Vorteil ist es, dass die Verstärkungsfasern oder -faserbündel zusammen mit der Vorstufe der Matrix in einem Zustand hervorragender Formbarkeit vorliegen, der sich insbesondere für die anspruchsvollen Strick, Web- oder Knüpfverfahren eignet.
-
Die Verstärkungsfasern- oder -faserbündel bringen die benötigte Matrix für den zu formenden Verbundkörper bereits mit. Ein gesonderter Verfahrenschritt einer Harzimprägnierung, wie beispielsweise bei dem RTM-Verfahren erforderlich, entfällt.
-
Zudem erlaubt das erfindungsgemäße Aufbringen des Fasermaterials ein geometrisch optimiertes Aufbringen des Fasermaterials unter Vermeidung von Faserabfall und optimaler Faserausnutzung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst wirtschaftlich bei der Herstellung von Leichtbau-Faserverbundkonstruktionen, da durch die endkonturtreuen Preforms Faserabfall vermieden wird, da das Fasermaterial durch eine kraftfluss- und spannungsgerechte Anordnung optimal genützt wird und zudem durch die definierte, fehlerarme Faseranordnung eine hohe Qualitätskonstanz der hergestellten Faserverbundteile gewährleistet ist.
-
Als Matrixmaterial kann Harz und Matrixfasern aus der Gruppe der vernetzbaren duroplastischen und/oder elastomeren Kunststoffe verwendet werden.
-
Als Harz sind insbesondere die thermischen, kalthärtenden oder UV-härtenden Polyester, Polyurethane, Epoxide, Phenole oder Vinylester geeignet. Als Polymerblends sind Vinylester-Polyurethan-Blends besonderes bevorzugt.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Verfahrensschritt a) ein Aufbringen des Kunststoffs mittels einer Pulver-, Schmelz- oder Lösungsmittelimprägnierung. Dadurch ist ein optimales Benetzen der Fasern oder Faserbündel mit dem Harz gewährleistet. Feststoffharz kann dabei zunächst in Lösung auf die Verstärkungsfasern oder Rovings aufgebracht werden und hierauf zu einem gelartigen oder festen Überzug getrocknet werden.
-
In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt im Verfahrensschritt b) das Aufbringen des Fasermaterials durch Weben und/oder Flechten und/oder Sticken und/oder Nähen auf die Trägerstruktur.
-
Die Trägerstruktur kann dabei zwei- oder dreidimensional ausgebildet sein, sie kann zudem in einem späteren Verfahrensschritt von dem Faserverbundteil entfernt werden oder auch an dem Faserverbundbauteil verbleiben. Die genannten Aufbringtechniken, insbesondere die erwähnte Nähtechnik bewirkt eine definierte, fehlerarme Faseranordnung und trägt damit ebenfalls zu einer optimalen Fasermaterialausnutzung bei einer hohen Qualitätskonstanz bei. Des Weiteren ergibt sich eine im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich höhere Designfreiheit.
-
Besonders bevorzugt ist die Trägerstruktur dreidimensional ausgebildet, insbesondere in Form gewölbter Flächen.
-
Beim Nähen wird in bevorzugter Ausgestaltung keine Verstärkungsfaser sondern ein Nähfaden aus Baumwoll-, oder Kunststofffasern verwendet. Der Nähfaden stellt dabei im Wesentlichen lediglich die feste Fixierung des Fasermaterials auf der Trägerstruktur sicher. Der Nähfaden kann aus einem schmelzbaren Kunststoff bestehen, der sich beim thermischen Aushärten auflöst.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Aushärten des Faserverbundmaterials gemäß Verfahrensschritt c) ein Pressen, die Aufbringung von äußerem Druck und/oder ein Erwärmen des Faserverbundmaterials. Dabei können die im Verfahrensschritt b) hergestellten Preformen in einem vorzugsweise beheizten Werkzeug gepresst und ausgehärtet werden. Auch die Verwendung von so genannten Autoklaven oder Mikrowellenvorrichtungen sind in dem Aushärteschritt denkbar. Die Preform wird im Autoklaven bevorzugt in bekannter Weise in eine Schutzfolie eingehüllt, um den äußeren Druck flächig auf das Fasermaterial aufzubringen.
-
Bevorzugt werden als Verstärkungsfasern Glasfasern, Kohlefasern, Keramikfasern, Metallfasern, Naturfasern oder einem Gemisch von mindestens zwei dieser Fasermaterialien verwendet. Weitere geeignete Verstärkungsfasern sind Aramidfasern oder hochmodulige Polyethylenfasern.
-
Die Trägerstruktur kann beispielsweise aus einem vorvernetzten, bei Raumtemperatur festen Kunststoff bestehen, wobei der Kunststoff der Trägerstruktur dem Kunststoff des Matrixmaterials entsprechen kann. Dadurch ist in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass beim Aushärten des auf das Trägermaterial aufgebrachten Fasermaterials der Kunststoff der Trägerstruktur ebenfalls zur Imprägnierung des Fasermaterials beitragen kann und im resultierenden Faserverbundbauteil nicht als Fremdmaterialeinschlüsse wirkt.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Trägerstruktur aus einer vorvernetzten Kunststoffform, welche beim Verfahrensschritt c) vollständig aushärtet. Der Kunststoff der Trägerstruktur ist bevorzugt mit dem Matrixmaterial chemisch verwandt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Trägerstruktur aus einem textilen Material oder einem papierartigen Material, aufgebaut, das mit einem Harz getränkt ist, welches im Schritt c) aushärtet. Das ausgehärtete Trägermaterial verbleibt dabei typischerweise als flächiges und unverstärktes Flächengebilde im fertigen Bauteil.
-
Gegebenenfalls kann die Trägerstruktur auch nach dem Aushärten des Fasermaterials in einem weiteren Prozessschritt entfernt werden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird beim Aufnähen, – sticken oder – oder -weben ein Funktionsteil in das Faserverbundbauteil integriert. Als Funktionsteil können insbesondere metallische Anbindungsteile für die Befestigung an eine Fahrzeugkarosserie fungieren. Als weiteres Beispiel können auch Kabel oder Medienleitungen aufgenäht und in die Faserstruktur integriert werden.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug weist mindestens eine Aufbringstation zum Aufbringen von Matrixmaterial aus Harz auf einzelne Fasern oder Faserbündel beziehungsweise Rovings, mindestens eine Konfektionierstation zum Aufbringen des Fasermaterials durch Weben, Sticken, Flechten oder Nähen auf eine die Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur zur Herstellung einer Preform (Vorformling), wobei die Anordnung des Fasermaterials bezogen auf das herzustellende Faserverbundbauteil kraftfluss- und spannungsoptimiert erfolgt und mindestens eine Aushärtestation zum Aushärten des auf das Trägermaterial aufgebrachten Faserverbundmaterials auf.
-
Die Faserbündel können reine Verstärkungsfasern oder Hybridgarne aus Verstärkungs- und Matrixfasern sein.
-
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine optimierte Fasermaterialausnutzung und eine verringerte Zykluszeit des Fertigungsprozesses zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gewährleistet. Insbesondere kann durch eine räumliche und zeitliche Trennung von Aufbringstation, Konfektionierstation und Aushärtestation der Fertigungsablauf rationell, einfach und schnell gestaltet werden. Durch das Aufbringen von Matrixmaterial aus Harz auf einzelne Fasern oder Faserbündel und das entsprechende Aufbringen dieses beschichteten Fasermaterials in der Konfektionierstation auf die entsprechende Trägerstruktur und die damit verbundene Herstellung endkonturtreuer Preformen wird ein Faserverschnitt vermieden, wobei gleichzeitig die einzelnen Fasern und Faserbündel kraftfluss- und spannungsoptimiert aufgetragen werden können. Das Harz kann dabei aus der Gruppe umfassend duroplastische und elastomere Flüssig- oder Feststoffharze ausgewählt werden.
-
In vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Aufbringstation mindestens eine Imprägnierdüse und/oder mindestens ein Harz- oder Flüssigharzbett auf. Mittels der Imprägnierdüse kann das Harz in flüssiger Form oder auch Pulverform auf die Fasern und Faserbündel aufgetragen werden. In dem Harzbett kann das Material in fester Form, wie zum Beispiel als Pulver oder einzelnen Fasern enthalten sein, wobei die zu beschichtenden Fasern und Faserbündel durch das Harzbett hindurchgeleitet werden.
-
Die erfindungsgemäße Konfektionierstation weist mindestens eine Web- und/oder Stick- und/oder Nähvorrichtung auf. Dabei kann die Konfektionierstation bzw. die Web- und/oder Stick- und/oder Nähvorrichtung eine programmierbare Steuerungsvorrichtung aufweisen, so dass die vorimprägnierten Fasern bzw. Faserbündel entsprechend den Anforderungen einer im vorhergehenden berechneten und in der Steuerungsvorrichtung entsprechend abgelegten Bauteilberechnung auf der Trägerstruktur abgelegt werden können.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Aushärtevorrichtung mindestens ein druckbeaufschlagbares und/oder beheizbares Werkzeug, mindestens einen Autoklaven oder mindestens eine Mikrowellenvorrichtung, IR-Bestrahlungsvorrichtung oder DV-Bestrahlungsvorrichtung auf. Die genannten Vorrichtungen erlauben das notwendige Aushärten der Preformen zu den resultierenden Faserverbundbauteilen.
-
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung besteht das Fasermaterial aus Glasfasern, Kohlefasern, bzw. Kohlenstofffasern oder Carbonfasern, Keramikfasern, Metallfasern, Naturfasern oder einem Gemisch von mindestens zwei dieser Fasermaterialien.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels.
-
Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 20, insbesondere eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug. Die Vorrichtung 10 umfasst dabei eine Aufbringstation 12 zum Aufbringen von Matrixmaterial aus Harz auf Verstärkungsfaserbündel. Das Faserbündel ist dabei auf einem Ablaufgatter 32 mit mindestens einer Spule aufgewickelt und wird einem Harzbett 18, welches das Matrixmaterial enthält, zugeführt. Nach der Beschichtung der Faserbündel (Rovings) mit dem Matrixmaterial aus Kunststoff werden die beschichteten Rovings einer Konfektionierstation 14 zugeführt. Die Konfektionierstation 14 dient dabei zum Aufbringen des beschichteten Fasermaterials auf eine die Form des Faserverbundbauteils 20 nachbildende Trägerstruktur aus harzimprägniertem Karton. Daraus ergibt sich eine Preform 30, die das vorimprägnierte Fasermaterial aufweist, wobei die Faserbündel kraftfluss- und spannungsoptimiert auf die endkonturtreue Trägerstruktur aufgetragen worden sind. Das Aufbringen des Fasermaterials erfolgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Nähvorrichtung 22 mit einem Nähkopf 26. Die Nähvorrichtung 22 wird dabei über eine programmierbare Steuerungsvorrichtung 24 gesteuert. Dabei erfolgt die Steuerung der Nähvorrichtung 22 gemäß im Vorfeld berechneter und ermittelter optimaler Verlaufsstrukturen der Fasern und Faserbündeln unter Berücksichtigung der Form des herzustellenden Faserverbundbauteils 20. Die Trägerstruktur ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als dreidimensionale Struktur ausgebildet.
-
Dabei ist es zudem möglich, dass die Trägerstruktur in einem sich anschließenden, nicht dargestellten Verfahrensschritt von dem fertigen Faserverbundbauteil 20 entfernt wird. Die Trägerstruktur kann aber auch ein Flächenbauteil sein und sich fest mit der Preform 30 zu dem Faserverbundbauteil 20 verbinden.
-
Des Weiteren erkennt man, dass die Vorrichtung 10 des Weiteren eine Aushärtestation 16 zum Aushärten der Preform 30 aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Aushärtestation 16 als beheizbares Press-Werkzeug 28 dargestellt. Durch ein entsprechendes Pressen der Preform 30 erfolgt die Aushärtung der Preform 30 zu dem Bauteil 20.
