DE102008026161B4

DE102008026161B4 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102008026161B4
Application number: DE102008026161.0A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ilzhöfer Karl-Heinz; Dipl.-Ing. Salkic Asmir
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2028-05-31
Also published as: DE102008026161A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Matrixmaterials in Form von Matrixfasern aus intermediär schmelzbaren Fasertypen b) Zusammenführen der Verstärkungsfasern und der Matrixfasern unter Bildung eines imprägnierten Fasermaterials in unmittelbarer Nähe vor einer Formdüse, c) Aufbringen des Fasermaterials durch die Formdüse auf eine die Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur zur Herstellung einer Preform, wobei die Anordnung des Fasermaterials bezogen auf das herzustellende Faserverbundbauteil, kraftfluss- und spannungsoptimiert erfolgt und d) Thermisches Aushärten des Matrix-imprägnierten Fasermaterials unter Bildung eines Faserverbundbauteils, wobei das Fasermaterial zum thermischen Aushärten erhitzt wird und die Matrixfasern vor dem Aushärten unterhalb der Aushärtetemperatur des Fasermaterials aufschmelzen und bei der Aushärtetemperatur thermisch vernetzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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 entsprechende textile Verstärkungsstruktur umzusetzen. 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 Molding) 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, womit 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.
Um die oben genannten Nachteile zu umgehen ist in der US 2004/0119188 A1 ein Verfahren beschrieben, welches ein vorimprägniertes Endlosfaserbündel zur Verfügung stellen soll. Hierzu werden zunächst zwei getrennte Endlosfaserbündel vorbereitet und vorgeformt, welche dann getrennt mit jeweils einer Komponente eines Matrixharzes imprägniert werden. Die einzelnen Harzkomponenten sind für sich genommen nicht reaktiv und aushärtbar. Erst wenn die beiden getrennten Faserbündel zusammengeführt und zu einem einzigen Faserbündel geformt werden, bilden die Harzkomponenten eine reaktive Mischung, welche nach Legen des Faserbündels in seine gewünschte Form aushärtbar ist.
Ein solches Verfahren erlaubt zwar eine kontinuierliche Imprägnierung eines Endlosfaserbündels, welche nahezu gleichzeitig mit seiner Weiterverarbeitung erfolgen kann, insbesondere auch mit duroplastischen oder elastomeren Matrixharzen. Durch die separate Vorimprägnierung zweier getrennter Faserbündel ist das Verfahren jedoch prozesstechnisch und apparativ aufwendig, insbesondere da Vorrichtungen zum Abrollen der Endlosfasern, Vorrichtungen zu deren Formen zu einem Faserbündel sowie Vorrichtungen zum Imprägnieren der Faserbündel jeweils doppelt bereitgestellt werden müssen. Weiterhin kann, insbesondere bei einer hohen Anzahl von Einzelfasern (sogenannte Heavy tows) das Formen eines Faserbündels vor dessen Imprägnierung problematisch sein, da insbesondere bei der Formung von sehr flachen Bändern die Einzelfasern nicht beschädigungsfrei aneinander abgleiten können.
Die DE 10 2005 034 400 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faser-Vorformlings mit einer nahezu beliebigen Oberflächengeometrie im TFP-Verfahren. Dabei wird ein Faserstrang mit einem Führungsmittel in einer nahezu beliebigen Bahnkurve auf einer Tragschicht abgelegt und der Faserstrang mit mindestens einem Fixierfaden mittels eines Nähkopfes auf der Tragschicht angeheftet.
Die DE 3226290 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gesteuerten Ablegen von Fasern auf eine Form über einen Ablegekopf zum Herstellen von Teilen aus Faserverbundwerkstoffen.
Aus der DE 2212288 A ist ein Verfahren bekannt bei dem die Verstärkung in Form eines kontinuierlichen Fadens oder Faserstranges zugeführt wird, der mit der Matrixflüssigkeit beschichtet oder getränkt und gleichzeitig auf die Formwand oder auf die Unterlage zu vorgeschoben wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, welches eine apparative prozesstechnisch einfache kontinuierliche Imprägnierung eines Endlosfaserbündels sowie eine optimierte Formung eines solchen Faserbündels ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Durch das erfindungsgemäße Zusammenführen von Verstärkungsfasern und Matrixmaterial, welches in Form von Matrixfasern vorliegt, kann die aus dem Stand der Technik bekannte Verdoppelung von Abwickel-, Form- und Imprägniereinrichtungen vermieden werden. Das Verfahren ist daher apparativ wesentlich einfacher durchzuführen. Durch das direkte Aufbringen des Matrixmaterials auf die Verstärkungsfasern, welche als Endlosfasern bereitgestellt sind, und der anschließenden Verarbeitung dieser Fasern durch Zusammenführen zu einem imprägnierten Fasermaterial, welches für eine anschließende textile Verarbeitung zur Verfügung steht, können endkonturnahe Vorformlinge erzeugt werden, die anschließend durch eine entsprechende Aushärtung in ein entsprechendes Faserverbundbauteil umgewandelt werden.
Beim Zusammenführen der Verstärkungsfasern und des Matrixmaterials findet in einer Verfahrensvariante, in der zusätzlich zu den Matrixfasern Matrixharz aus der Gruppe der thermisch vernetzbaren duroplastischen und/oder elastomeren Kunststoffe zugeführt wird, eine weitgehend vollständige Imprägnierung der Fasern bzw. Faserbündel statt, so dass Lufteinschlüsse weit gehend verdrängt werden. Als Fasermaterial werden bevorzugt die verfügbaren Endlosfaser-Bündel oder Rovings eingesetzt, die typischerweise Filamentzahlen im Bereich von 12.000 bis 48.000 (12 bis 48 K) aufweisen. Angesichts der hohen Filamentzahl und des Ziels, eine möglichst vollständige Imprägnierung bis ins Innerste des Bündels zu erreichen, kommt dem Verfahrensschritt des Zusammenführens eine besondere Bedeutung zu. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahrensschritt kann ein dichtes Faserbündel zur späteren Ablage bereitgestellt werden. Durch die unmittelbare zeitliche und räumliche Nähe zwischen den Prozessschritten des Zusammenführens und Ablegens des imprägnierten Faserbündels treten keine Veränderungen des Faser/Matrix-Verhältnisses bzw. der Konsistenz des Fasermaterials mehr auf.
Unter dem Formen des Fasermaterials in einer Formdüse ist zu verstehen, dem Fasermaterial bzw. imprägnierten Faserbündel eine spezielle Querschnittsgeometrie mitzugeben. Je nach Anwendungsfall sind unterschiedliche Fasermaterialgeometrien von Vorteil. Beispielsweise können breite und flache Faserbündel eingestellt werden, oder auch dicke und schmale. Eine gegebenenfalls erfolgte zusätzliche Zufuhr von Matrixharz vor dem Formen verbessert die Gleitfähigkeit der Fasern gegeneinander. Dadurch wird ein schädigungsarmes Abgleiten der Einzelfasern aneinander ermöglicht, so dass beispielsweise auch sehr flache Faserbänder mit guten Festigkeitseigenschaften geformt werden können.
Beim Ablegen des Fasernmaterials beziehungsweise der imprägnierten Faserbündel zur Preform erfolgt die Ausrichtung der Fasern unter gezielten vorgegebenen Raumrichtungen. Erfindungsgemäß werden die Fasern bezogen auf den späteren Hauptlastfall des herzustellenden Faserverbundbauteils kraftfluss- und spannungsoptimiert ausgerichtet. Typischerweise wird dabei eine parallele Ausrichtung zu den Hauptkraftlinien des Verbundbauteils erfolgen. Das erfindungemäße Verfahren erlaubt es in sehr einfacher Weise maschinengesteuert auch komplexe Konturen und Richtungsverläufe abzubilden. Durch die Einstellung von variablen Querschnittsgeometrien der Faserbündel während des Ablegevorgangs mittels der Formdüsen ist es insbesondere auch möglich, zielgenau Aufdickungen oder Verflachungen der abgelegten Strukturen zu generieren, entsprechend lokal unterschiedlicher Verstärkungsanforderungen des Bauteils.
Bei den eingesetzten Matrixfasern aus intermediär schmelzenden Fasertypen kann es sich um vorvernetzte Polymerfasern handeln, die thermisch vollständig aushärten.
Da während des Aufschmelzens und Aushärtens 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 vor dem Aushärten unterhalb der Aushärtetemperatur des Fasermaterials aufschmelzen und bei Erreichen der Aushärtetemperatur thermisch vernetzen.
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 neben der Direktablage des aus der Formdüse austretenden Materials 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 Harz-Imprägnierung, 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 können 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 weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Verfahrensschritt d) das Aufbringen des Fasermaterials durch ein Ablegen und/oder 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. Eine weitere Varianz bei der Bildung der Preform durch die oben genannten Aufbringtechniken ist bei der Verwendung der geometrisch variablen Formdüsen gegeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Aushärten des Faserverbundmaterials gemäß Verfahrensschritt d) ein Pressen, und/oder die Aufbringung von äußerem Druck. Dabei können die im Verfahrensschritt c) 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.
Insbesondere in Abhängigkeit vom Matrixtyp kann das Aushärten entweder integral erfolgen, d. h. erst, wenn alle Fasern abgelegt sind, oder aber auch differentiell, das heißt, das Faserbündel wird nach dem Ablegen sofort lokal ausgehärtet.
Die integrale Vorgehensweise ist beispielsweise dann besonders günstig, wenn thermisch härtende Matrixmaterialien verwendet werden und die fertige Preform als Ganzes in einen Härte-Ofen eingebracht wird.
Eine differentielle Aushärtung ist beispielsweise für UV-härtende Matrixsysteme möglich, indem dem Faser-Ablegekopf eine UV-Härtelampe nachgeführt wird.
Bevorzugt werden als Verstärkungsfasern Glasfasern, Kohlefasern, Keramikfasern, Metallfasern, Naturfasern oder ein 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 die Trägerstruktur 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 d) 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 d) 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 -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.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Matrixmaterials in Form von Matrixfasern aus intermediär schmelzbaren Fasertypen b) Zusammenführen der Verstärkungsfasern und der Matrixfasern unter Bildung eines imprägnierten Fasermaterials in unmittelbarer Nähe vor einer Formdüse, c) Aufbringen des Fasermaterials durch die Formdüse auf eine die Form des Faserverbundbauteils nachbildende Trägerstruktur zur Herstellung einer Preform, wobei die Anordnung des Fasermaterials bezogen auf das herzustellende Faserverbundbauteil, kraftfluss- und spannungsoptimiert erfolgt und d) Thermisches Aushärten des Matrix-imprägnierten Fasermaterials unter Bildung eines Faserverbundbauteils, wobei das Fasermaterial zum thermischen Aushärten erhitzt wird und die Matrixfasern vor dem Aushärten unterhalb der Aushärtetemperatur des Fasermaterials aufschmelzen und bei der Aushärtetemperatur thermisch vernetzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Verfahrensschritt c) das Fasermaterial in einer geometrisch variablen Formdüse geformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten erst nach der Ausbildung der gesamten Preform integral erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten unmittelbar nach der Faserablage differentiell erfolgt.
Verfahren nach Anspruch einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) zusätzlich zu den Matrixfasern Matrixharz aus der Gruppe der thermisch vernetzbaren duroplastischen und/oder elastomeren Kunststoffe zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixharz aus der Gruppe der thermisch härtenden Polyester, Polyurethane, Epoxide, Phenole oder Vinylester, insbesondere Vinylester-Polyurethan-Blends ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt b) ein Aufbringen des Matrixharzes mittels einer Pulver-, Schmelz- oder Lösungsmittelimprägnierung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Fasermaterials gemäß Verfahrensschritt c) durch ein Ablegen und/oder mittels Weben und/oder mittels Flechten und/oder mittels Sticken und/oder mittels Nähen auf die Trägerstruktur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Nähen als Nähfaden Baumwoll-, oder Kunststofffasern verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aushärten gemäß Verfahrensschritt d) das Anlegen von äußerem Druck und/oder das Pressen des Fasermaterials umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur aus einer vorvernetzten Kunststoffform besteht, welche beim Verfahrensschritt d) vollständig aushärtet.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Trägerstruktur dem Matrixmaterial entspricht oder mit diesem chemisch verwandt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur aus einem textilen Material oder einem papierartigen Material, besteht, das mit einem Harz getränkt wird, welches im Schritt d) ausgehärtet wird.