DE102008039869B4

DE102008039869B4 - Verfahren zum Herstellen von Leichtbauteilen

Info

Publication number: DE102008039869B4
Application number: DE102008039869.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Böke Johannes; Marko Maciej; Dr. Gojny Florian H.; Dr. Howe Christian; Sebastian Grasser; Bernd Wohletz; Gerhard Heilmeier
Original assignee: Benteler SGL GmbH and Co KG
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2016-11-03
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: US20100051183A1; DE102008039869A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von B-Säulen eines Kraftfahrzeuges, welche ein zu verstärkendes metallisches Grundstrukturelement und ein Verstärkungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweisen, umfassend: – Aufbau eines Prepreg-Stapels aus duroplastischen Faser-Matrix-Halbzeugen; – Beschichten einer Unterseite des Prepreg-Stapels mit einer Vlieslage und Beschichten einer Oberseite des Prepreg-Stapels mit einer Antihaftfolie; – Konfektionierung des beschichteten Prepreg-Stapels; – Erwärmen des metallischen Grundstrukturelementes mittels einer Wärmequelle auf eine Aushärtetemperatur des duroplastischen Matrixharzes des Prepregs; – Zusammenführen des erwärmten Grundstrukturelementes mit dem beschichteten Prepreg-Stapel in einem Presswerkzeug und – Pressen und dabei Durchtränken der Vlieslage mit dem Matrixharz und Aushärten des Matrixharzes des Prepreg-Stapels zum Verbinden mit dem Grundstrukturelement, wobei die der Vlieslage benachbarte Prepreg-Lage harzreich eingestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Leichtbauteilen bzw. zum Herstellen von faserverstärkten Strukturbauteilen, welche ein Grundstrukturelement und ein Verstärkungselement aufweisen.
Jedes einzelne Bauteil beispielsweise von Kraftfahrzeugen trägt mit seinem Gewicht negativ zum Kraftstoffverbrauch bei. Von daher ist die Fahrzeugindustrie bestrebt, die jeweiligen Bauteile leichter zu gestalten. Gleichzeitig dürfen die Anforderungen an die Bauteileigenschaften wie zum Beispiel Festigkeit, Steifigkeit und die Lebensdauer der jeweiligen Komponenten nicht reduziert werden.
Vor dem Hintergrund des Klimawandels und der daraus folgenden CO2-Diskussion gewinnt der Leichtbau beispielsweise in der Automobilindustrie stetig an Bedeutung. Insbesondere faserverstärkte Kunststoffe bieten ein großes Potential, durch Einsatz in festigkeits- bzw. steifigkeitsrelevanten Strukturbauteilen das Karosseriegewicht deutlich zu reduzieren. Die Automobilindustrie benötigt eine Vielzahl solcher Strukturbauteile, also quasi eine Großserienproduktion der faserverstärkten Strukturbauteile. Nachteilig ist allerdings, dass bisher keine geeigneten Herstellungsverfahren bekannt sind, solche faserverstärkten Strukturbauteile in einer großserientauglichen Taktzeit herzustellen. Dies begründet sich in einem hohen Anteil an manuellen Tätigkeiten, welche mit einem hohen Zeitaufwand verbunden sind. Ebenfalls einen hohen Zeitaufwand erfordert die Aushärtung von Matrixharzen, welche in Herstellungsverfahren der Strukturbauteile Verwendung finden. Eines der Herstellungsverfahren ist zum Beispiel das Prepreg-Pressen. Prepreg ist die englische Kurzform für preimpregnated fibres (zu deutsch vorimprägnierte Fasern), und bezeichnet ein Halbzeug bestehend aus Endlosfasern bzw. Langfasern und einer thermoplastischen oder ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix. Hieraus resultieren stückbezogene Taktzeiten von ca. 30 Minuten.
Die DE 693 07 464 T2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer faserverstärkten Hohlprofilverbundanordnung, bei welchem zwei faserverstärkte, härtbare, thermoplastische Verbundelemente miteinander verbunden sind. An einer Zwischenfläche, die beim Zusammenfügen der Verbundelemente entsteht, ist ein härtbarer Klebstoff angeordnet, welcher nach dem Verbinden der Verbundelemente mit einem Elektronenstrahl aushärtbar ist.
Die DE 103 60 743 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Strukturbauteilen aus Faserverbundkunststoffen mit komplexer Geometrie durch zwei unabhängige Umformschritte, welche mit zwei unabhängig voneinander ablaufenden chemischen Reaktionsschritten einhergehen. Dabei wird in einem ersten Schritt das Imprägnieren und Vorformen eines Faserverbundes in einem Halbzeug und damit gekoppelt ein rasches Abkühlen des Halbzeuges durchgeführt. Dieses Halbzeug wird in einem zweiten, vom ersten Schritt unabhängigen Schritt in einem separaten Werkzeug in die abschließende Gestalt des Strukturbauteils umgeformt. Das Umformen, durch das die abschließende Vernetzung des duroplastischen Harzes und damit dessen Aushärten in die abschließende Geometrie des Strukturbauteils bewerkstelligt werden, erfolgt bei einer Wärme oberhalb einer spezifischen Temperatur, bei welcher das Harz vernetzt.
Die DE 689 18 324 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden eines faserverstärkten ausgehärteten Gegenstandes mit einem Verstärkungselement. Bei diesem in der DE 689 18 324 T2 beschriebenen Verfahren wird ein Verstärkungselement mit beispielsweise einem Karosserieteil verbunden, wobei zwischen dem Verstärkungselement und dem Karosserieteil ein ungehärtetes, wärmehärtbares Harz (Klebstoff) aufgebracht wird. Die so gebildete Anordnung aus Bauteil, Klebstoff und Verstärkungselement wird in eine Kammer einer dielektrischen Heizeinrichtung zwischen zwei Elektroden eingebracht. Mit einem im Wesentlichen konstanten Hochfrequenzsignal zwischen den Elektroden wird der Klebstoff gehärtet.
Weiterhin zählen die DD 250 090 A5 , die DE 698 36 259 T2 , die US 2005/0269016 A1 , die DE 10 2006 058 601 A1 und die DE 10 134 372 A1 zum Stand der Technik.
Ein anderes bekanntes Verfahren ist das so genannte RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Molding). Prepregs gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen sämtliche duroplastischen Faser-Matrix-Halbzeuge wie BMC oder SMC. Ferner sind textile Produkte (Gewebe und Gelege), Stapelfasern und Vliese Gegenstand der Erfindung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches in großserientauglicher Taktzeit faserverstärkte Strukturbauteile zur Verfügung stellt, so dass eine Integration des großserientauglichen Herstellungsverfahrens in bestehende Fertigungskonzepte beispielsweise für Fahrzeugkomponenten ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die herzustellende B-Säule ein zu verstärkendes metallisches Grundstrukturelement und ein Verstärkungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist und folgende Verfahrensschritte umfasst:

– Aufbau eines Prepreg-Stapels aus duroplastischen Faser-Matrix-Halbzeugen;
– Beschichten einer Unterseite des Prepreg-Stapels mit einer Vlieslage und Beschichten einer Oberseite des Prepreg-Stapels mit einer Antihaftfolie;
– Konfektionierung des beschichteten Prepreg-Stapels;
– Erwärmen des metallischen Grundstrukturelementes mittels einer Wärmequelle auf eine Aushärtetemperatur des duroplastischen Matrixharzes des Prepregs;
– Zusammenführen des erwärmten Grundstrukturelementes mit dem beschichteten Prepreg-Stapel in einem Presswerkzeug und
– Pressen und dabei Durchtränken der Vlieslage mit dem Matrixharz und Aushärten des Matrixharzes des Prepreg-Stapels zum Verbinden mit dem Grundstrukturelement, wobei die der Vlieslage benachbarte Prepreg-Lage harzreich eingestellt ist.

Die Lösung der Aufgabe gelingt aber auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2, wobei die herzustellende B-Säule ein zu verstärkendes metallisches Grundstrukturelement und ein Verstärkungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweist und folgende Verfahrensschritte umfasst:

– Aufbau eines Prepreg-Stapels aus duroplastischen Faser-Matrix-Halbzeugen;
– Beschichten einer Unterseite des Prepreg-Stapels mit einer Vlieslage und Beschichten einer Oberseite des Prepreg-Stapels mit einer Antihaftfolie;
– Konfektionierung des beschichteten Prepreg-Stapels;
– separate Umformung und Aushärtung des beschichteten Prepreg-Stapels;
– Applizieren von Klebstoff auf den ausgehärteten Prepreg-Stapel und/oder auf das Grundstrukturelement;
– Erwärmen des zu verstärkenden Grundstrukturelementes mittels einer Wärmequelle auf eine Aushärtetemperatur des Klebstoffes;
– Zusammenführen des Grundstrukturelementes mit dem ausgehärteten Prepreg-Stapel in einem Presswerkzeug und
– Pressen des Verbundes, wobei sich eine Verbindung zwischen dem Grundstrukturelement und dem ausgehärteten Prepreg-Stapel ausbildet.

Die Herstellung von Leichtbauteilen, also faserverstärkten Bauteilen erfolgt bevorzugt in der so genannten Prepreg-Presstechnik. Die Konfektionierung der Prepreg-Stapel erfolgt in einem kontinuierlichen Prozess mittels Kalander und Cutter und weist geringe Taktzeiten im Bereich von einigen Sekunden auf. Für eine effiziente Auslastung der Anlagentechnik wird das Konfektionieren vorteilhaft von der zeitintensiven Umformung und Aushärtung entkoppelt.
Zur Herstellung der Prepreg-Stapel ist ein mehrstufiger Prozess vorgesehen, wobei in einer ersten Stufe zwei Prepregs mittels kalandrieren zusammengeführt werden, und in nachfolgenden Stufen eine der erforderliche Wandstärke des Leichtbauteils entsprechende Anzahl von Prepregs pro Stufe, bevorzugt jeweils ein oder zwei weitere Prepregs kalandriert werden. Vor dem Einlauf in den jeweiligen Kalander werden natürlich Trennfolien von den Prepregs entfernt.
Die kalandrierten Prepregs werden dann an ihrer Ober- und Unterseite beschichtet. Als Beschichtung für die Oberseite ist eine Antihaftfolie und für die Unterseite eine Vlieslage vorgesehen. Beim Pressen im Presswerkzeug wird die Vlieslage vom Matrixharz durchtränkt, so dass diese als Klebstoff dienen kann, wobei die der Vlieslage benachbarte Lage entsprechend harzreich eingestellt wird.
Nachdem die Prepreg-Stapel kalandriert und an ihrer Oberfläche beschichtet wurden, werden die jeweiligen Stapel auf die erforderliche Geometrie zugeschnitten, was zum Beispiel mittels einer Stanze oder auch mit einem Cutter erfolgen kann. Da unterschiedliche Leichtbauteile hergestellt werden, weist auch jeder Zuschnitt eine andere Geometrie auf. Selbstverständlich sollten in einem großserientauglichen Verfahren zunächst Serien mit demselben Zuschnitt, also derselben Geometrie erzeugt werden. Aufgrund der Oberflächenbeschichtung der Prepregs sind Werkzeugverschmutzungen nicht zu erwarten. Die fertigen Zuschnitte werden in einem Sonderladungsträger abgestapelt.
Zur Herstellung der Leichtbauteile bzw. der faserverstärkten Strukturbauteile können die Zuschnitte bevorzugt direkt in die zu verstärkenden Grundstrukturelemente eingepresst werden. Denkbar ist aber auch, einen Klebstoff vorzugsweise auf die Zuschnitte zu applizieren, so dass der aus Pressen und Kleben kombinierte Verfahrensschritt anstelle des direkten Einpressens durchgeführt wird. Zu beiden möglichen Verfahrensvarianten wird das zu verstärkende Grundstrukturelement in eine Erwärmungsstation eingebracht, bevor dieses in das Presswerkzeug eingelegt wird. Als Wärmequelle ist zum Beispiel ein IR-Strahlerfeld vorgesehen, welche dem Presswerkzeug bevorzugt vorgeschaltet ist. Wird das zu verstärkende Grundstrukturelement in die Erwärmungsstation eingebracht, wird dieses bevorzugt innerhalb weniger Sekunden auf die Aushärtetemperatur des Harzes erwärmt, und erst dann in das Presswerkzeug eingelegt, welches in konventioneller Art beheizt wird. Mit dieser vorteilhaften Maßnahme wird erreicht, dass die zeitintensive Erwärmung der zu verstärkenden Grundstruktur mit der damit einhergehenden langsameren Aus- bzw. Vorhärtung der Prepregs vermieden wird.
Alternativ wird bzw. werden im Rahmen der Erfindung das bzw. die Verstärkungselemente separat hergestellt, indem die Prepreg-Stapel bzw. die Zuschnitte in einem beheizten zusätzlichen Werkzeug umgeformt und ausgehärtet werden. Bei dieser Vorgehensweise werden beide Seiten, also die Ober- bzw. Unterseite des Prepreg-Stapels mit einer Antihaftfolie bzw. mit einer Vlieslage versehen. Die so umgeformten Zuschnitte werden in einem zweiten Sonderladungsträger abgestapelt. Diese umgeformten Zuschnitte werden dann vorteilhaft in das zu verstärkende Grundstrukturelement eingeklebt, wozu Klebstoff auf die umgeformten Zuschnitte oder auf die zu verstärkenden Grundstrukturen aufgebracht wird. In dem Presswerkzeug werden die Komponenten verpresst. Günstig im Sinne der Erfindung ist, das Presswerkzeug zu beheizen, wenn z.B. ein warmhärtender Klebstoff Verwendung findet. Werden die umgeformten Zuschnitte mit Klebstoff versehen, ist zweckmäßiger Weise vorgesehen, die umgeformten Zuschnitte vor dem Applizieren des Klebstoffs zu reinigen und zu aktivieren, was zum Beispiel mit einem Plasmareiniger durchgeführt werden kann.
Zweckmäßiger Weise sind die Verfahrensvarianten mit Klebstoffeinsatz anwendbar, wenn die geforderten mechanischen Eigenschaften des Leichtbauteils bzw. des faserverstärkten Strukturbauteils mittels des Matrixharzes (direktes Einpressen) nicht erreichbar sind.
Die so hergestellten Leichtbauteile bzw. faserverstärkten Strukturbauteile werden bei allen Verfahrensvarianten dem Presswerkzeug entnommen und in einem Ladungsträger abgestapelt.
Grundsätzlich werden die Prepreg-Stapel bzw. die Prepreg-Lagen in der für die Verstärkungen benötigten Anzahl belastungsorientiert aufeinander kalandriert. Als oberste und unterste Schichtlage wird entweder jeweils oben und unten eine Antihaftfolie oder oben eine Antihaftfolie und unten eine Vlieslage aufgebracht. Die Antihaftfolien erleichtern den Transport und verhindern ein Verschmutzen der in dem Verfahren eingebundenen Werkzeuge. Die Vliesschicht dient zu demselben Zweck, kann aber zusätzlich auch als Träger bzw. Abstandshalter für die Klebschicht dienen, da die Vliesschicht beim Pressen von Harz durchtränkt wird, weswegen die dem Vlies benachbarte Lage entsprechend harzreich eingestellt wird. Die Prepreg-Stapel können in einer Verfahrensvariante in einem Presswerkzeug umgeformt und ausgehärtet werden, wobei durch geeignete Wahl des Harzsystems und der Aushärtetemperatur eine Aushärtung bzw. zur Konsolidierung ausreichende Vorhärtung innerhalb vom z.B. fünf Minuten erzielbar ist.
In einer anderen Verfahrensvariante werden die zu verstärkenden Grundstrukturelemente mittels einer Wärmequelle auf die Aushärte- bzw. Vorhärtetemperatur des Matrixharzes erwärmt, so dass lange Aufheizzeiten im Werkzeug vermieden werden.
Das erfindungemäße Verfahren ist daher mit den folgenden Schritten durchführbar:
Zunächst wird ein Prepreg-Stapel in einem bevorzugt mehrstufigen Prozess sukzessive aufgebaut, wobei in einer ersten Stufe zumindest zwei Prepregs zusammengeführt werden und in nachfolgenden Stufen entsprechend der erforderlichen Wanddicke des verstärkten Grundstrukturelementes pro Stufe jeweils ein bzw. zwei weitere Prepregs kalandriert werden.
In einem zweiten Schritt werden die geschaffenen Prepreg-Stapel an ihrer Oberfläche (unten und oben) beschichtet, was mit einer Antihaftfolie auf beiden Seiten oder mit einer Antihaftfolie auf der einen, bevorzugt auf der oberen und auf der unteren Seite mit einer Vlieslage geschehen kann, wobei die dem Vlies benachbarte Lage des Prepregs harzreich eingestellt sein kann.
In einem dritten Schritt werden die Stapel einer Zuschneidvorrichtung (Cutter) zugeführt und auf die erforderlichen Geometrien zugeschnitten.
Bei einem vierten Schritt werden die Zuschnitte in einem Sonderladungsträger abgestapelt.
In einem fünften Schritt werden die Zuschnitte zum Beispiel mit einem Sauggreifer in ein sich in einem Presswerkzeug befindenden Grundstrukturelement eingelegt, wobei das Grundstrukturelement vor dem Einlegen in das Presswerkzeug an einer Wärmequelle, z.B. einem IR-Strahlerfeld vorbeigeführt und auf Aushärtetemperatur des Harzes aufgewärmt wird. In dem Presswerkzeug, welches beheizt sein kann, wird umgeformt und ausgehärtet.
Alternativ zu Schritt fünf kann vor dem Einlegen der Zuschnitte in das zu verstärkende Grundstrukturelement vorgesehen sein, Klebstoff auf die Zuschnitte zu applizieren (Schritt 6), wobei durch geeigneten Auftrag eine Verschmutzung des hergestellten Bauteils bzw. der Werkzeuge (Presswerkzeug) durch verpressten Werkstoff vermieden wird. Natürlich werden die zu verstärkenden Grundstrukturelemente wie in Schritt fünf an einer Wärmequelle vorbeigeführt und auf Aushärtetemperatur aufgewärmt.
Alternativ zu den Schritten fünf und sechs werden die Verstärkungselemente separat hergestellt (Schritt 7), indem die Zuschnitte in einem beheizten Werkzeug umgeformt und ausgehärtet werden. Ein Fügen des zu verstärkenden Grundstrukturelementes mit dem Verstärkungselement (Zuschnitt) wird anschließend mit einem zusätzlichen Klebeprozess durchgeführt, wobei Klebstoff entweder auf das Grundstrukturelement oder auf das gereinigte (vorzugsweise Plasmareinigung) Verstärkungselement (Zuschnitt) aufgetragen wird. Das Grundstrukturelement und das Verstärkungselement werden in einem bevorzugt beheizten Presswerkzeug zusammengeführt und ausgehärtet.
In einem achten Schritt, welcher sich entweder an den Schritt fünf, sechs oder sieben anschließt, werden die verstärkten Strukturbauteile dem Presswerkzeug entnommen und z.B. in einem Ladungsträger abgestapelt.
Insgesamt wird somit vorteilhaft ein Verfahren zum Herstellen von Leichtbauteilen bzw. von faserverstärkten Strukturbauteilen zur Verfügung gestellt, welches eine großserientaugliche Taktzeit aufweist, was also die Leichtbauteile bzw. die faserverstärkten Strukturbauteile in großserientauglicher Taktzeit erzeugt.
Neben den beispielhaft genannten Vorgehensweisen zur Herstellung von Faserkunststoff/Stahl-Verbunden durch direktes Einpressen und direktes Einpressen mit Kleberauftrag kann das Bindeharz bzw. das Matrixharz, welches zur Herstellung des Prepregs verwendet wird, bei der Variante des direkten Einpressens mit Modifikatoren ausgestattet sein, welche eine optimierte Verbindung des Faserkunststoffverbundes mit dem Stahlblech also mit den Grundstrukturelementen ermöglichen. Der Einsatz eines solchen Prepregs im kompletten Faserkunststoff-Anteil oder zumindest einer solchen Prepreglage ermöglicht den Verzicht auf einen ansonsten erforderlichen Kleberauftrag bei besonders guter Haftung des Faserkunststoffverbundes an dem Stahlblech.
Bei der Modifikation können Zuschlagstoffe verwendet werden, welche in der Klebstoffherstellung verwendet werden. Zum Beispiel können Flüssigkautschuk, Carboxy-terminierter Butadiennitrilkautschuk, amin-terminierter Butadiennitrilkautschuk (ATBN), Core-Shell-Materialien (z.B. organisch maskierter Silikonkautschuk) sowie weitere Copolymere eingesetzt werden. Des Weiteren können Partikelmodifikationen wie Silikatpartikel, kohlenstoffbasierte Partikel zusätzlich zu den zuvor aufgezählten Modifikatoren eingesetzt werden. Im Unterschied zu konventionellen Klebstoffen erreichen die modifizierten Epoxydharze Steifigkeiten von mehr als 2000 MPa.
Der Zuschlag von 0,1–50 % der Modifikationskomponente zum Basis-Prepregharz bzw. Matrixharz, vorzugsweise von 2–10 %, besonders bevorzugt von 4–9 % führt zu einer deutlichen Steigerung der Matrixzähigkeit bei vergleichbar hoher Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit des Faserkunststoffverbund-Anteils. Jedoch führt die Modifikation zu einer signifikant besseren Haftung des Faserkunststoffverbundes am Stahlblech, so dass die Aufbringung einer Klebeschicht sowie der dazugehörige Prozessschritt vermieden werden kann.
Beispielhaft kann eine Modifikation eines lösungsmittelfreien Epoxidharzes (Diglycidylether-bisphenol-A) definiert durch ein Epoxidäquivalentgewicht (EEW) von 260–280 eq/mol mit 9 % eines Core-shell-Partikel durchgeführt werden. Selbstverständlich sind auch andere EEW und Harze einsetzbar. Das Matrixharz kann mit einem aliphatischen oder aromatischen Aminhärter (bevorzugt Dicyandiamid), sowie mit weiteren epoxidharz-kompatiblen Härtern ausgehärtet werden. Des Weiteren beinhaltet die Formulierung bevorzugt einen Beschleuniger. Die Aushärtung erfolgt bei 80–180 °C, vorzugsweise bei 100–130 °C über einen Zeitraum von 2 min bis 360 min, bevorzugt über einen Zeitraum von 15 bis 90 min.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Konfektionierung von Prepreg-Stapeln;
2 direktes Einpressen der Verstärkungen in die Grundstruktur;
3 kombiniertes Einpressen und Kleben;
4 separate Herstellung und nachfolgendes Kleben, und
5 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 zeigt allgemein die einzelnen Schritte S1 bis S8 des Verfahrens, wobei die Schritte S5 bis S7 jeweils als alternative Ausführung zu verstehen sind.
Schritt S1: Zunächst wird ein Prepreg-Stapel in einem bevorzugt mehrstufigen Prozess sukzessive aufgebaut, wobei in einer ersten Stufe zumindest zwei Prepregs zusammengeführt werden und in nachfolgenden Stufen entsprechend der erforderlichen Wanddicke des verstärkten Grundstrukturelementes pro Stufe jeweils ein bzw. zwei weitere Prepregs kalandriert werden.
Schritt S2: In einem zweiten Schritt werden die geschaffenen Prepreg-Stapel an ihrer Oberfläche (unten und oben) beschichtet, was mit einer Antihaftfolie auf beiden Seiten oder mit einer Antihaftfolie auf der einen, bevorzugt auf der oberen und auf der anderen Seite, also bevorzugt auf der unteren mit einer Vlieslage geschehen kann, wobei die dem Vlies benachbarte Lage des Prepregs bevorzugt harzreich eingestellt sein kann.
Schritt S3: In einem dritten Schritt werden die Stapel einer Zuschneidvorrichtung (Cutter) zugeführt und auf die erforderlichen Geometrien zugeschnitten.
Schritt S4: Bei einem vierten Schritt werden die Zuschnitte in einem Sonderladungsträger abgestapelt.
Schritt S5: In einem fünften Schritt werden die Zuschnitte zum Beispiel mit einem Sauggreifer in ein Presswerkzeug eingelegt, in welchen das zu verstärkende Grundstrukturelement eingelegt ist, wobei das Grundstrukturelement vor dem Einlegen in das Presswerkzeug in eine Erwärmungsstation, z.B. einem IR-Strahlerfeld eingebracht und auf Aushärtetemperatur aufgewärmt wird. In dem Presswerkzeug, welches beheizt sein kann, wird umgeformt und ausgehärtet.
Schritt S6: Alternativ zu Schritt fünf kann vor dem Einlegen der Zuschnitte in das zu verstärkende Grundstrukturelement vorgesehen sein, Klebstoff auf die Zuschnitte zu applizieren (Schritt 6), wobei durch geeigneten Auftrag eine Verschmutzung des hergestellten Bauteils bzw. der Werkzeuge (Presswerkzeug) durch verpressten Werkstoff vermieden wird. Natürlich werden die zu verstärkenden Grundstrukturelemente wie in Schritt fünf in eine Erwärmungsstation eingebracht und auf Aushärtetemperatur aufgewärmt.
Schritt S7: Denkbar ist auch, alternativ zu den Schritten fünf und sechs die Verstärkungselemente separat herzustellen (Schritt 7), indem die Zuschnitte in einem beheizten Werkzeug umgeformt und ausgehärtet werden. Ein Fügen des zu verstärkenden Grundstrukturelementes mit dem Verstärkungselement (Zuschnitt) wird anschließend mit einem zusätzlichen Klebeprozess durchgeführt, wobei Klebstoff entweder auf das Grundstrukturelement oder auf das gereinigte (vorzugsweise Plasmareinigung) Verstärkungselement (Zuschnitt) aufgetragen wird.
Das Grundstrukturelement und das Verstärkungselement werden in einem bevorzugt beheizten Presswerkzeug zusammengeführt und ausgehärtet.
Schritt S8: In einem achten Schritt, welcher sich entweder an den Schritt fünf, sechs oder sieben anschließt, werden die verstärkten Strukturbauteile dem Presswerkzeug entnommen und z.B. in einem Ladungsträger abgestapelt.
1 zeigt die Konfektionierung der Prepreg-Stapel. Das Prepreg-Halbzeug wird als Rollenware 1 eingesetzt und über Rollengestelle einem Kalandersystem 4 zugeführt. Da die Dicke dieser Halbzeuge in der Regel geringer ist als die angestrebte Wandstärke der faserverstärkten Strukturbauteile, ist das Stapeln mehrerer Schichten möglich. Der Aufbau der Stapel erfolgt sukzessive, indem in einer ersten Stufe zwei Prepregs aufeinander kalandriert werden und diesem Aufbau, wie beispielhaft dargestellt, in weiteren Stufen jeweils ein oder zwei weitere Prepregs analog zugeführt werden. Dabei werden Trennfolien 2 nach dem Kalandrieren automatisch entfernt.
Anschließend werden die Ober- bzw. Unterseite beschichtet. Als Beschichtung kann eine Antihaftfolie 3 und/oder eine Vliesschicht vorgesehen sein. Denkbar ist sowohl auf der Ober- bzw. Unterseite Antihaftfolien aufzubringen. Möglich ist aber auch, eine der beiden Seiten mit der Vliesschicht zu versehen, wobei die dazu gegenüberliegende Seite mit der Antihaftfolie versehen wird.
Dabei dient der beidseitige Aufbau mit der Antihaftfolie beispielsweise der separaten Herstellung des Verstärkungselementes, wodurch Anhaftungen an Stempel und Matrize des Presswerkzeuges vermieden werden.
Im Falle eines direkten Einpressens (2) bzw. des kombinierten Einpressens und Klebens (3) wird eine der beiden Seiten mit der Vliesschicht versehen.
Beim Pressen wird das Vlies vom Matrixharz durchtränkt, so dass dieser als Klebstoff dienen kann, wobei die dem Vlies benachbarte Lage harzreich eingestellt sein sollte.
Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn ein zähmodifiziertes Matrixharz verwendet wird, welches in seinen Eigenschaften crashstabilen Klebstoffen ähnelt und auch ähnlich formatiert ist, so dass auf einen Einsatz von Klebstoffen verzichtet werden kann, worauf weiter unten näher eingegangen wird.
Aufgrund des Prepregs eigenen Tacks (Klebrigkeit) ist der Stapel in sich geometrisch stabil, während durch den Abschluss mit Vlieslagen bzw. Antihaftfolien der Stapel nach außen trocken ist, und somit einfach z.B. mittels Sauggreifern transportierbar ist.
Das für die Antihaftfolien einzusetzende Material ist vorteilhaft so gewählt, dass dieses auch nach einer Prepreg Aushärtung bei erhöhten Temperaturen von z.B. 180° C ein rückstandsfreies Trennen des Laminats vom Umformwerkzeug gewährleistet. Ferner ist dieses Material so wählbar, dass eine ausreichende Verformbarkeit vorliegt, um die Bildung von Falten im Laminat während des Umformvorgangs zu vermeiden. Vorteilhafter Weise kann bei den Werkzeugen dabei zumindest auf den zyklischen Einsatz von Trennmitteln verzichtet werden.
Im Anschluss werden die Prepreg-Stapel auf die gewünschte Größe zugeschnitten. Dieser Schritt kann sowohl mittels einer Stanze als auch durch einen automatischen Cutter 5 erfolgen, wobei aufgrund des Aufbaus mit einer oberen und unteren Vlieslage bzw. Antihaftfolie keine besonderen Anforderungen hinsichtlich der Vermeidung von Werkzeugverschmutzungen gestellt werden. Anschließend werden die Zuschnitte in einem Sonderladungsträger 6 abgestapelt.
Beispielhaft können die faserverstärkten Strukturbauteile als B-Säulen von Kraftfahrzeugen hergestellt werden. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die faserverstärkten Strukturbauteile direkt durch Einpressen der Prepreg-Stapel in die Grundstrukturen bzw. in das Grundstrukturelement hergestellt. Dabei wirkt das Matrixharz gleichzeitig als Klebstoff.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass duromere Prepregs zur Aushärtung gewöhnlich über einen relativ langen Zeitraum zu erwärmen sind, so dass eine ausreichende Taktzeit nur durch ein mehrfach fallendes, beheiztes Presswerkzeug erreicht werden kann. Bekannt ist weiter, dass die Aushärtegeschwindigkeit durch Erhöhung der Temperatur gesteigert werden kann, wobei materialspezifisch ein bestimmtes Zeit-Temperatur-Fenster nicht überschritten werden darf, um eine Schädigung des Harzes zu vermeiden.
Bei der Erfindung dagegen wurde gefunden, dass einige duromere Matrixharze auf Epoxidbasis bei einer Objekttemperatur von 180°C innerhalb von fünf Minuten soweit aushärten, dass eine ausreichende Konsolidierung des Materials stattgefunden hat. Um diese an sich kurze Aushärtezeit nutzen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Objekttemperatur möglichst schnell zu erreichen, indem die zu verstärkenden Grundstrukturelemente 7 mit einer Wärmequelle, beispielsweise einem IR-Strahlerfeld 8 innerhalb weniger Sekunden auf die Aushärtetemperatur des Harzes erwärmt und durch eine Handhabe, zum Beispiel einen Handlingroboter 9a in das konventionell beheizte Presswerkzeug 10 eingelegt wird. Mittels dieser vorteilhaften Maßnahme wird erreicht, dass eine zeitintensive Erwärmung der zu verstärkenden Grundstrukturelemente mit der damit einhergehenden langsameren Aus- bzw. Vorhärtung der Prepregs vermieden ist.
Alternativ zum vorgenannten Vorgehen ist auch ein Applizieren des Klebstoffs auf die umzuformenden Prepregs denkbar, so dass es sich hierbei um ein kombiniertes Pressen und Kleben handelt, wie beispielhaft 3 zeigt.
Dazu wird der Klebstoff bei 12 örtlich so aufgetragen, dass eine Verschmutzung der Werkzeuge und des Bauteils beim Pressen vermieden wird, der Klebstoff andererseits aber in ausreichender Menge aufgebracht ist, um die Verstärkung möglichst großflächig zu verkleben. Hier sind wie beim direkten Einpressen (2) die metallischen Grundstrukturen, also das zu verstärkende Grundstrukturelement mit der Wärmequelle in der beispielhaften Ausgestaltung als IR-Strahlerfeld 8 zu erwärmen, um eine möglichst schnelle Aushärtung herbeizuführen.
Wie in der beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens in 4 gezeigt, können die Zuschnitte, also die Verstärkungselemente auch separat hergestellt werden, indem die Prepreg-Stapel in einem beheizten Werkzeug 13 umgeformt und ausgehärtet werden. Die so umgeformten Zuschnitte werden in einem zweiten Sonderladungsträger 14 abgestapelt. Nach der Entformung werden die Verstärkungselemente in das zu verstärkende Grundstrukturelement eingeklebt, indem auf die Verstärkungselemente oder auf die zu verstärkenden Grundstrukturelemente bei 12 automatisiert Klebstoff aufgetragen wird. Anschließend werden beide Teile in dem Presswerkzeug 10 verpresst. Möglich ist, das Presswerkzeug 10 zu beheizen, wenn ein warmhärtender Klebstoff Verwendung findet. Günstig ist, wenn zur Reinigung und Aktivierung der Verstärkungselemente vor dem Klebstoffauftrag eine Plasmabehandlung 15 vorgesehen ist, was natürlich auch für den Verfahrensteil des kombinierten Pressens und Klebens gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 vorgesehen werden kann.
Die Verfahrensvarianten bezüglich des Klebstoffeinsatzes sind dann besonders vorteilhaft durchzuführen, wenn die geforderten mechanischen Eigenschaften nicht über das Matrixharz (direktes Einpressen) erzielt werden können. Allerdings liegt es Sinne der Erfindung, ein modifiziertes Matrixharz zu verwenden, worauf unten eingegangen wird.
Nach dem Verpressen im Presswerkzeug 10 werden die verstärkten Grundstrukturelemente jeweils bevorzugt automatisiert mittels eines Handlingroboters 9b (2 und 3) bzw. 9c (4) entnommen und in einem Ladungsträger 11 abgestapelt. In 4 übernimmt der Handlingroboter 9b das Zuführen der einzelnen Elemente vorbei an den Behandlungsstationen in das Presswerkzeug 10, was bei den Ausführungsbeispielen zu den 2 und 3 von dem Handlingroboter 9a übernommen wird.
Neben den beispielhaft genannten Vorgehensweisen zur Herstellung von Faserkunststoff/Stahl-Verbunden durch direktes Einpressen (2) und direktes Einpressen mit Kleberauftrag (3) kann bei der Variante gemäß 2 das Bindeharz bzw. Matrixharz, welches zur Herstellung des Prepregs verwendet wird, mit Modifikatoren ausgestattet sein, welche eine optimierte Verbindung des Faserkunststoffverbundes mit dem Stahlblech also mit den Grundstrukturelementen 7 ermöglichen. Der Einsatz eines solchen Prepregs im kompletten Faserkunststoff-Anteil oder zumindest einer solchen Prepreglage ermöglicht den Verzicht auf einen ansonsten erforderlichen Kleberauftrag bei besonders guter Haftung des Faserkunststoffverbundes an dem Stahlblech.
Bei der Modifikation können Zuschlagstoffe verwendet werden, welche in der Klebstoffherstellung verwendet werden. Zum Beispiel können Flüssigkautschuk, carboxy-terminierter Butadiennitrilkautschuk, amin-terminierter Butadiennitrilkautschuk (ATBN), Core-Shell-Materialien (z.B. organisch maskierter Silikonkautschuk) sowie weitere Copolymere eingesetzt werden. Des Weiteren können Partikelmodifikationen wie Silikatpartikel, kohlenstoffbasierte Partikel zusätzlich zu den zuvor aufgezählten Modifikatoren eingesetzt werden. Im Unterschied zu konventionellen Klebstoffen erreichen die modifizierten Epoxidharze Steifigkeiten von mehr als 2000 MPa.
Der Zuschlag von 0,1–50 % der Modifikationskomponente zum Basis Prepregharz bzw. Matrixharz, vorzugsweise von 2–10 %, besonders bevorzugt von 4–9 % führt zu einer deutlichen Steigerung der Matrixzähigkeit, bei vergleichbar hoher Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit des Faserkunststoffverbund-Anteils. Jedoch führt die Modifikation zu einer signifikant besseren Haftung des Faserkunststoffverbundes am Stahlblech, so dass die Aufbringung einer Klebeschicht, sowie der dazugehörige Prozessschritt vermieden werden kann.
Beispielhaft kann eine Modifikation eines lösungsmittelfreien Epoxidharzes (Diglycidylether-bisphenol-A) definiert durch ein Epoxidäquivalentgewicht (EEW) von 260–280 eq/mol (aber auch andere EEW und Harze sind möglich) mit 9% eines Core-shell-Partikel durchgeführt werden. Selbstverständlich sind auch andere EEW und Harze einsetzbar. Das Matrixharz kann mit einem aliphatischen oder aromatischen Aminhärter (bevorzugt Dicyandiamid), sowie weitere Epoxidharz kompatiblen Härtern ausgehärtet werden. Des Weiteren beinhaltet die Formulierung bevorzugt einen Beschleuniger. Die Aushärtung erfolgt bei 80–180°C, vorzugsweise bei 100–130 °C über einen Zeitraum von 2 min bis 360 min, bevorzugt über einen Zeitraum von 15 bis 90 min.
Bezugszeichenliste

1: Prepregrolle
2: Trennfolie
3a: Antihaftfolie
3b: Antihaftfolie bzw. -flies
4: Kalandersystem
5: Cutter
6: Sonderladungsträger
7: Grundstrukturelement
8: Wärmequelle/IR-Strahlerfeld
9a: Handlingroboter
9b: Handlingroboter
9c: Handlingroboter
10: Presswerkzeug
11: Ladungsträger
12: Klebstoffapplikation
13: beheiztes Werkzeug
14: zweiter Sonderladungsträger
15: Reinigung/Plasmabehandlung
S1 bis S8: Verfahrensschritte

Claims

Verfahren zum Herstellen von B-Säulen eines Kraftfahrzeuges, welche ein zu verstärkendes metallisches Grundstrukturelement und ein Verstärkungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweisen, umfassend: – Aufbau eines Prepreg-Stapels aus duroplastischen Faser-Matrix-Halbzeugen; – Beschichten einer Unterseite des Prepreg-Stapels mit einer Vlieslage und Beschichten einer Oberseite des Prepreg-Stapels mit einer Antihaftfolie; – Konfektionierung des beschichteten Prepreg-Stapels; – Erwärmen des metallischen Grundstrukturelementes mittels einer Wärmequelle auf eine Aushärtetemperatur des duroplastischen Matrixharzes des Prepregs; – Zusammenführen des erwärmten Grundstrukturelementes mit dem beschichteten Prepreg-Stapel in einem Presswerkzeug und – Pressen und dabei Durchtränken der Vlieslage mit dem Matrixharz und Aushärten des Matrixharzes des Prepreg-Stapels zum Verbinden mit dem Grundstrukturelement, wobei die der Vlieslage benachbarte Prepreg-Lage harzreich eingestellt ist.
Verfahren zum Herstellen von B-Säulen eines Kraftfahrzeuges, welche ein zu verstärkendes metallisches Grundstrukturelement und ein Verstärkungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff aufweisen, umfassend: – Aufbau eines Prepreg-Stapels aus duroplastischen Faser-Matrix-Halbzeugen; – Beschichten einer Unterseite des Prepreg-Stapels mit einer Vlieslage und Beschichten einer Oberseite des Prepreg-Stapels mit einer Antihaftfolie; – Konfektionierung des beschichteten Prepreg-Stapels; – separate Umformung und Aushärtung des beschichteten Prepreg-Stapels; – Applizieren von Klebstoff auf den ausgehärteten Prepreg-Stapel und/oder auf das Grundstrukturelement; – Erwärmen des zu verstärkenden Grundstrukturelementes mittels einer Wärmequelle auf eine Aushärtetemperatur des Klebstoffes; – Zusammenführen des Grundstrukturelementes mit dem ausgehärteten Prepreg-Stapel in einem Presswerkzeug und – Pressen des Verbundes, wobei sich eine Verbindung zwischen dem Grundstrukturelement und dem ausgehärteten Prepreg-Stapel ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement mittels des Kalandrierens zumindest zweier Prepregs erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle als IR-Strahlerfeld ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement direkt in das Grundstrukturelement eingepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Verstärkungselement Klebstoff appliziert wird, und mit dem Grundstrukturelement in dem Presswerkzeug verpresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Matrixharz zur Herstellung des Prepregs mit Modifikatoren so modifiziert wird, dass ein zähmodifiziertes Matrixharz verwendet wird, wobei ein Zuschlag von 0,1–50 % der Modifikationskomponente zum Basis-Prepregharz bzw. Matrixharz, vorzugsweise von 2–10%, besonders bevorzugt von 4–9% einsetzbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement in einem Werkzeug umgeformt und ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement vor dem Aufbringen von Klebstoff gereinigt wird.