DE102008007879A1

DE102008007879A1 - Carbonfaserverbundbauteil

Info

Publication number: DE102008007879A1
Application number: DE102008007879A
Authority: DE
Inventors: Jörn Welsch
Original assignee: EDAG GmbH and Co KGaA
Current assignee: Edag Engineering GmbH
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-02-07
Also published as: DE102008007879B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Carbonfaserverbundbauteil, welches durch schichtweises Einbetten (Laminieren) eines Kohlenstofffasergewebes in einer Matrix aus Kunstharz hergestellt wird. Speziell bei Carbonfaserverbundbauteilen für den Fahrzeugbau wird die spätere Sichtfläche schon beim Laminiervorgang in einer hohen Oberflächenqualität erzeugt. Dazu erfolgt das Laminieren in einer der geforderten Oberflächenqualität entsprechenden offenen Negativform. Um eine geometrisch und maßlich definierte Rückseite eines Carbonfaserverbundbauteils zu erhalten, weist das erfindungsgemäße Carbonfaserverbundbauteil auf seiner Rückseite eine PU-Schicht aus einem faserverstärkten reaktiven PU-System auf. Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird auf der Rückseite eines in Laminiertechnik vorgefertigten Carbonfaserverbundhalbzeuges in einem zweiteiligen geschlossenen Presswerkzeug direkt die faserverstärkte PU-Schicht mit LFI-Technik aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Carbonfaserverbundbauteil, welches durch schichtweises Einbetten (Laminieren) eines Kohlenstofffasergewebes in einer Matrix aus aushärtendem Kunstharz hergestellt wird.
Stand der Technik
Wesentliche Vorteile von Carbonfaserverbundbauteilen sind die hohe Zug- und Schwingungsfestigkeit, die geringe Wärmeausdehnung, eine gute Korrosionsbeständigkeit sowie das im Vergleich zu anderen Werkstoffen geringe Gewicht. Auf Grund dieser Vorteile erfährt diese Technologie speziell im Fahrzeugbau eine immer breitere Anwendung. Während vor einigen Jahren im Wesentlichen nur Fahrzeuge in Einzelanfertigung, zum Beispiel für den Motorsport, derartige Bauteile aufwiesen, werden heute Carbonfaserverbundbauteile insbesondere auch wegen ihr Optik im Bereich des Exterieurs und des Interieurs von Serienfahrzeugen eingesetzt.
Speziell bei Carbonfaserverbundbauteilen für den Fahrzeugbau wird die spätere Sichtfläche schon beim Laminiervorgang in einer hohen Oberflächenqualität erzeugt. Dazu erfolgt das Laminieren in einer der geforderten Oberflächenqualität entsprechenden offenen Negativform. Die schon beim Laminiervorgang erzeugte qualitativ hochwertige Oberfläche kann mit geringem Aufwand durch zusätzliche Lackaufträge oder Poliervorgänge weiter gestaltet werden.
Bei der Serienfertigung derartiger Carbonfaserverbundbauteile sowie bei deren serienmäßigem Verbau kommt es je doch in der Praxis zu Problemen. Durch den Prozess des Laminierens in einer offenen Form bedingt, weisen die gattungsgemäßen Carbonfaserverbundbauteile eine geometrisch und maßlich nicht definierte Rückseite auf. Auch ist das Ausbilden von entsprechend exakt angeordneten Ausricht-, Handling- und Befestigungselementen während des Laminierprozesses in einer Serienfertigung nicht möglich. Das aufwändige nachträgliche Anordnen von großflächigen und zum Teil metallischen Befestigungselementen an der Rückseite lässt den ursprünglichen Gewichtsvorteil teilweise wieder schwinden.
Aufgabenstellung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Carbonfaserverbundbauteil zu schaffen, welches bei Meidung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile kostengünstig und serientauglich herstellbar ist. Neben der serientauglichen Herstellbarkeit muss das Carbonfaserverbundbauteil auch mit der in einer Serienfertigung üblichen Robotertechnik handhabbar, weiter bearbeitbar und verbaubar sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Carbonfaserverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit dem Verfahren zur Herstellung gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindungen bestehen insbesondere darin, dass durch das Aufsprühen eines aus Reaktionskomponenten bestehenden PU-Systems mit Langfaserverstärkung auf die Rückseite des im Unterteil eines zweiteiligen Presswerkzeuges aufgenommenen laminierten Carbonfaserverbundhalbzeuges und das anschließende thermische Aushärten im geschlossenen druckbeaufschlagten Werkzeug eine geometrisch und maßlich exakt definierte Rückseite des Carbonfaserverbundbauteils erzeugt wird. Dabei steht eine Verstärkung des ja schon mit hohen Festigkeitseigenschaften ausgestatteten Carbonfaserverbundhalbzeuges nicht im Vordergrund. Der Erfindungserfolg ist vielmehr darin zu sehen, dass es beim Ausbilden der konstruktiv definierten Rückseite zu keinen relevanten Verformungen an dem ja vorgespannten Carbonfaserverbundhalbzeug kommt.
Die Verwendung von Langfasern aus Glas, Carbon oder Basalt für die Faserverstärkung des reaktiven PU-Systems verhindert diesen unzulässigen Wärmeverzug, da das Wärmeausdehnungsverhalten dieser Fasern weitgehend dem der im Carbonfaserverbundhalbzeug verwendeten Faserstruktur entspricht.
Die auf das laminierte Carbonfaserverbundhalbzeug nachträglich aufgebrachte zusätzliche Schicht aus langfaserverstärktem reaktiven PU verleiht dem fertigen Carbonfaserverbundbauteil trotzdem zusätzliche Stabilität. Und dies insbesondere vorteilhaft hinsichtlich Belastungen bei denen bekannte laminierte Carbonfaserbauteile Defizite aufweisen, wie zum Beispiel bei Belastungen quer zum Faserverlauf. Durch das Aufbringen eines langfaserverstärkten reaktiven PU-System kann das Carbonfaserverbundhalbzeug auch in entsprechend geringerer Dicke ausgeführt werden, wodurch die Materialkosten gesenkt werden können. Bei einem durch Crash bedingten Bersten eines erfindungsgemäßen Carbonfaserverbundbauteils wird das typische verletzungsgefährliche Splittern des Laminates vermieden.
Durch das mittels des Pressvorgangs geometrisch und maßlich definierte Ausbilden von Ausricht- und Handhabungselementen auf der Rückseite des Carbonfaserverbundbauteils kann dieses zum Beispiel anschließend mittels Robotertechnik aufgenommen und für weitere Bearbeitungsgänge, wie zum Beispiel das Abfräsen des Laminatüberschusses, vorteilhaft gehandhabt werden. Speziell in der Fahrzeugindustrie müssen derartige zu verbauende Teile mit unlösbaren Produktkennzeichnungen versehen sein. Diese lassen sich vorteilhaft während des Pressvorganges auf der Rückseite der PU-Schicht einstückig ausbilden.
Das auf dem Rand des Werkzeugunterteils im Bereich des flanschartigen Laminatüberschusses umlaufende elastische Dichtprofil bewirkt außer der Fixierung des in der unterdruckbeaufschlagten Kavität des Werkzeugunterteils aufgenommenen Carbonfaserverbundhalbzeuges auch, dass eine Expansion des reaktiven PU-Systems auf die Sichtfläche verhindert wird.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindungen werden im Folgenden an Hand der Figuren näher beschrieben:
Es zeigen:
1 die Sichtseite eines Carbonfaserverbundhalbzeuges
2 die Rückseite eines Carbonfaserverbundhalbzeuges
3 die Rückseite eines fertigen Carbonfaserverbundbauteils
4, 5, 6 die schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens
Das durch Laminieren in bekannter Weise hergestellte Carbonfaserverbundhalbzeug 1 weist eine in Carbon-Optik und in hoher Oberflächenqualität gefertigte Sichtfläche 2 auf. An den Rändern des Carbonfaserverbundhalbzeuges 1 umlaufend befindet sich noch flanschartig der fertigungsbedingte Laminatüberschuss 4 (1).
2 zeigt die Rückseite 3 des Carbonfaserverbundhalbzeuges 1. Dabei ist erkennbar, dass diese Rückseite 3 geometrisch und maßlich nicht definiert ist.
In 3 ist ein fertiges Carbonfaserverbundbauteil 5 dargestellt, welches rückseitig mit einer PU-Schicht 6 aus einem faserverstärktem reaktiven PU-System versehen ist. Aus dieser PU-Schicht 6 sind die in 3 erkennbaren Befestigungs-, Halte- und Ausrichtelemente einstückig ausgeformt. Ebenfalls einstückig ist in der PU-Schicht 6 ein graphisches Kennzeichnungsfeld ausgebildet. Der umlaufende Laminatüberschuss 4 wurde schon abgetrennt.
Bei der Herstellung des Carbonfaserverbundbauteiles 5 wird ein in bekannter Laminattechnik vorgefertigtes Carbonfaserverbundhalbzeug 1 in die Kavität des Werkzeugunterteils 8 eingelegt. Dabei befindet sich der flanschartig umlaufende Laminatüberschuss 4 noch am Carbonfaserverbundhalbzeug 1. Dieser Laminatüberschuss 4 kommt durch den in der Kavität des Werkzeugunterteils 8 aufgebauten Unterdruck dichtend an dem umlaufenden Dichtprofil 9 zur Auflage. Anschließend erfolgt direkt auf die Rückseite 3 des Carbonfaserverbundhalbzeuges 1 durch den Robotersprühkopf 10 der Sprüheintrag des reaktiven PU-Systems mit gleichzeitigem Beimischen von langfasrigen Verstärkungsfasern mittels der unter der Bezeichnung LFI (Long-Fiber-Injection) bekannten Technologie. Nach dem Schließen des Presswerkzeuges härtet das reaktive PU-System thermisch aktiviert und druckbeaufschlagt formbildend aus. Dabei kommt es zum geometrisch und maßlich definierten Ausformen der Befestigungs-, Halte- und Ausrichtelemente für welche die entsprechenden Kavitäten im Werkzeugoberteil 7 ausgebildet sind.
Zum direkten Auftrag des PU-Systems auf das Carbonfaserverbundhalbzeug 1 mittels dem LFI-Verfahren eignen sich insbesondere Verstärkungsfasern aus Carbon, Glas oder Basalt bzw. entsprechende Mischungen, da diese ein ähnliches Wärmeverhalten aufweisen wie die Faserstruktur des Carbonfaserverbundhalbzeuges 1. Dadurch kommt es zu keinen relevanten Wärmeverformungen. Da das Carbonfaserverbundhalbzeug 1 schon die entsprechende Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweist, erübrigt sich auch die Verwendung von schützenden verstärkungsfaserfreien Zwischenmaterialien. Ebenso sind auf Grund der für die Matrix des Carbonfaserverbundhalbzeuges 1 verwendeten Kunstharze keine haftvermittelnden Zwischenschichten erforderlich.

1: Carbonfaserverbundhalbzeug
2: Sichtfläche
3: Rückseite
4: Laminatüberschuss
5: Carbonfaserverbundbauteil
6: PU-Schicht
7: Werkzeugoberteil
8: Werkzeugunterteil
9: Dichtprofil
10: Robotersprühkopf

Claims

Carbonfaserverbundbauteil mit in Kunstharz laminiertem Carbonfasergewebe, wobei die spätere Sichtfläche in Carbonoptik und mit hoher Oberflächenqualität schon beim Laminieren in einer Negativform erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Sichtseite bildendes laminiertes Carbonfaserverbundhalbzeug (1) auf der Rückseite eine geometrisch und maßlich exakt definierte PU-Schicht (6) aus einem faserverstärkten reaktiven PU-System aufweist.
Carbonfaserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der PU-Schicht (6) einstückig Ausricht-, Handhabungs- und Befestigungselemente ausgeformt sind.
Carbonfaserverbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der PU-Schicht (6) graphische Produktidentifikationen ausgebildet sind.
Carbonfaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung aus langfasrigem Carbon besteht.
Carbonfaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung aus langfasrigem Glas besteht.
Carbonfaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung aus langfasrigem Basalt besteht.
Carbonfaserverbundbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung aus einer Kombination von langfasrigem Carbon, Glas oder Basalt besteht.
Verfahren zum Herstellen eines Carbonfaserverbundbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch Laminieren hergestelltes Carbonfaserverbundhalbzeug (1) in ein Werkzeugunterteil (8) eines zweiteiligen Presswerkzeuges eingelegt wird, anschließend ohne weitere Zwischenschichten auf die Rückseite (3) des Carbonfaserverbundhalbzeuges (1) ein Sprühauftrag aus einem mit Langfasern verstärkten, reaktiven PU-System erfolgt, und das PU-System anschließend im geschlossenen Presswerkzeug unter Druck und thermisch aktiviert formbildend aushärtet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbonfaserverbundhalbzeug (1) mit seinem flanschartig umlaufenden Laminatüberschuss (4) dichtend an einem um die Kavität des Werkzeugunterteils (8) umlaufenden elastischen Dichtprofil (9) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laminatüberschuss (4) nach dem Aushärten der PU-Schicht (6) abgetrennt wird.