DE102009024786A1

DE102009024786A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles und ein solches faserverstärktes Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102009024786A1
Application number: DE102009024786A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Ing. Ilzhöfer; Thomas Dr. Schuh
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles, wobei mindestens eine Lage einer Faserfolie in einer Umformpress erhitzt, gepresst und ausgehärtet wird, wobei die Faserfolie nach folgenden Schritten hergestellt wird: - Vermischen und Dispergieren eines aushärtbaren Reaktionsharzes als Kunststoff-Matrix in Wasser und mit organischen und/oder anorganischen Verstärkungsfasern und - Trocknen und Aufwickeln der Faserfolie.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles und ein solches faserverstärktes Kunststoffbauteil.
Aus der DE 100 33 322 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundelementen, die mindestens einen Kern und zwei Fasern enthaltende Deckschichten aufweisen, bekannt. Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:

– Beschichten von aus Fasermaterialien bestehenden offenporigen Halbzeugen mit feinkörnigem, pulverförmigem, vernetztem Harz derart, dass die Offenporigkeit bestehen bleibt,
– Formen einer Anordnung aus mindestens einem offenporigen Kern und zwei beschichteten Halbzeugen in einem auf eine Vernetzungstemperatur des pulverförmigen Harzes aufgeheizten Formwerkzeug,
– wobei anhängig von einer Faserart, der Art des pulverförmigen Harzes und/oder der Beschichtungsmenge eine Luftdurchlässigkeit des beschichteten Halbzeuges so gesteuert wird, dass ein vorgegebener Strömungswiderstand eingestellt wird.

Weiterhin ist aus der DE 31 05 673 A1 ein Verfahren zur Herstellung von ausgerichteten Kurzfaservliesen für Verbundwerkstoffe bekannt. Dabei wird eine Fasersuspension als kontinuierlicher Strom parallel einer porösen Wandung geleitet, durch die eine Suspensionsflüssigkeit mittels eines Druckgefälles mit einer Geschwindigkeit hindurchtritt, die geringer ist als eine Strömungsgeschwindigkeit der Fasersuspension, während die Fasern auf der porösen Wandung ausgerichtet abgelagert werden. Um die Ausrichtung der Fasern zu erhöhen oder eine multidirektionale Ausrichtung zu erreichen, wird die poröse Wandung bewegt, wobei die Bewegungsrichtung der porösen Wandung eine andere ist als die Strömungsrichtung der Fasersuspension.
Darüber hinaus ist aus der DE 41 39 226 A1 ein Faserverbundmaterial auf einer Basis von Naturvliesen sowie ein Verfahren zu dessen kontinuierlicher Herstellung und Weiterverarbeitung zu Pressformteilen bekannt. Dabei werden die Naturfaservliese mit einem Flächengewicht von maximal 200 g/m² und einer maximalen Dicke von 5 mm hergestellt. Die Naturfaservliese werden mit einem Bindemittel, insbesondere reaktivem Kunstharz, beaufschlagt, um eine Verpressfähigkeit zu Formteilen zu erreichen Ferner ist aus der DE 601 28 317 T2 ein Faservlies mit Pulver sowie ein Verfahren und zugehörige Flächengebilde bekannt. Das Verfahren zur Herstellung umfasst:

– Schleudern von Aggregaten aus feinen Kurzfasern mit einem Faserdurchmesser von 4 μm oder kleiner und einer Faserlänge von 3 mm oder kleiner oder einer Gruppe von Aggregaten zusammen mit pulverförmigen Materialien aus einer Düse in ein Gas durch die Wirkung eines Druckgases, wodurch die Aggregate aus feinen Kurzfasern oder die Gruppe davon zu feinen Kurzfasern zerteilt werden bzw. wird, Dispergieren der erhaltenen feinen Kurzfasern und der pulverförmigen Materialien, wobei die feinen Kurzfasern schmelzbare Fasern sind, die sich aus zwei oder mehr Komponenten mit voneinander verschiedenen Schmelzpunkten derart zusammensetzen, dass eine Form oder Gestalt jeder schmelzbaren feinen Kurzfaser durch mindestens eine unschmelzbare Komponente aufrecht erhalten wird und Sammeln der dispergierten schmelzbaren feinen Kurzfasern und der pulverförmigen Materialien, um ein Pulver enthaltendes Faservlies zu bilden, und
– Befestigen der pulverförmigen Materialien, wobei ein Vliesstoff aus dem Pulver enthaltenen Faservlies gebildet wird, um den Vliesstoff mit daran befestigten Pulver zu erhalten, die schmelzbaren feinen Kurzfasern miteinander durch einen Schmelzvorgang verschmolzen werden und die pulverförmigen Materialien durch schmelzen der schmelzbaren feinen Kurzfasern befestigt werden.

Die DE 692 28 662 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Polypropylenharz-Folie. Dieses Verfahren umfasst:

– Vermischen und Dispergieren in Wasser und in Gegenwart eines oberflächenaktiven Mittels von (A) 25 bis 90 Gewichtsprozent Polypropylenharz und (B) 75 bis 10 Gewichtsprozent Glasfasern mit einer Länge von 3 bis 50 mm unter Bildung einer Bahn einer Non-Woven-Gewebeart,
– Trocknen der Bahn der Non-Woven-Gewebeart und
– Erhitzen, Pressen und Kühlen der Bahn der Non-Woven-Gewebeart zu einer Folie, wobei dass Polypropylenharz eine Fließfähigkeit von 100 bis 600 g/10 min aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles und ein faserverstärktes Kunststoffbauteil anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des faserverstärkten Kunststoffbauteiles durch die in Anspruch 4 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles sieht vor, dass mindestens eine Lage einer Faserfolie in einer Umformpresse erhitzt, gepresst und ausgehärtet wird, wobei die Faserfolie nach folgenden Schritten hergestellt wird:

– Vermischen und Dispergieren einer Kunststoff-Matrix mit Wasser und organischen und/oder anorganischen Verstärkungsfasern, und
– Trocknen und Aufwickeln der Faserfolie.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es in Gewinn bringender Weise möglich, die Faserfolie mit vergleichsweise hoher Produktivität als Faserfolienbahn herzustellen, wodurch die Faserfolienbahn als Halbzeug zur Fertigung faserverstärkter Kunststoffbauteile beispielsweise im Lagerbestand vorhanden ist und somit Produktionskosten und/oder Materialkosten zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles verringert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch in perspektivischer Ansicht eine auf einer Aufwickelvorrichtung aufgewickelte Faserfolie, die anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
Einander entsprechende Teile sind in der Figur mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Faserfolie als Faserfolienbahn 1 dargestellt, wobei die Faserfolienbahn 1 auf einer Aufwickelvorrichtung 2 aufgerollt ist.
Die Faserfolienbahn 1 wird dabei in einem Verfahren hergestellt, welches ähnlich einem Papierherstellungsverfahren, beispielsweise einer industriellen Papierherstellung, durchgeführt wird. Hierzu werden Verstärkungsfasern, wie beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern, die als Stränge und/oder als Filamente vorliegen, verwendet.
Dabei ist eine Länge der Verstärkungsfasern in Abhängigkeit zu erzielender Eigenschaften, die das zu fertigende faserverstärkte Kunststoffbauteil aufweisen sollte, vorgebbar.
Als weitere Ausgangsmaterialien bzw. als weiteres Ausgangsmaterial zur Herstellung der Faserfolie wird ein aushärtbares Reaktionsharz, wie z. B. ein Polyesterharz, ein Phenolharz und/oder ein Epoxidharz, verwendet. Denkbar ist auch, dass weitere aushärtbare Reaktionsharze als Ausgangsmaterial verwendet werden können.
Beispielsweise liegt das aushärtbare Reaktionsharz in einer Suspension und/oder Emulsion vor, wobei das aushärtbare Reaktionsharz mit den Verstärkungsfasern gleichmäßig vermengt wird. Dabei wird dem Gemenge Wasser als Lösungsmittel zugeführt und vermischt, d. h. dispergiert und bevorzugt eine gleichmäßige Dispersion gebildet wird. Durch das dem Gemenge zugeführten Wassers wird eine Viskosität des Gemisches hinreichend erniedrigt, um eine Imprägnierung der Faserfolie zu verbessern.
Auch ist es möglich, als Trägermedium zur Erzeugung der Suspension und/oder Emulsion ein geeignetes Lösungsmittel einzusetzen. Hierdurch ist es realisierbar, dass im Halbzeug verbleibende Reste des Trägermediums in einer Aushärtreaktion beispielsweise in Polymere eingebaut werden können, wie z. B. bei ungesättigten Polyestern ein Einbau von Styrollösungsmitteln.
Im Anschluss daran wird die vollständig gerührte Dispersion beispielsweise einem so bezeichneten Ablauf zugeführt, der über einem siebförmigen Bandförderer angeordnet ist. Unterhalb des siebförmigen Bandförderers ist ein Flüssigkeitssammelbehälter angeordnet, mittels dem der Dispersion das Wasser beispielsweise in Form von Absaugen entzogen wird. Durch den Wasserentzug wird auf dem Bandförderer eine Faserfolienbahn 1 erzeugt.
Weist ein zu fertigendes faserverstärktes Kunststoffbauteil später eine so genannte Class A Oberfläche, z. B. eine Glanzoberfläche, auf, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass auf die Faserfolienbahn 1, insbesondere auf die später sichtbare Oberfläche, beispielsweise eine auf Polymerbasis gebildete Paste aufgebracht wird. Hierzu ist Voraussetzung, dass die Paste mit dem Trägermedium chemisch vereinbar ist, um eine zumindest hinreichende Haftung sicherzustellen. Vorzugsweise wird dazu ein ungesättigtes Polyesterharz verwendet. Beispielsweise wird die Paste in einem integrierten Streichprozess auf die Oberfläche aufgebracht.
Die Faserfolienbahn 1 mit einer Dicke von z. B. 300 μm wird darauf folgend beispielsweise ohne Zuführung von Heißluft getrocknet, wodurch die Faserfolienbahn 1 in vorteilhafter Weise auf einer oberen sowie auf einer unteren Oberfläche keine Klebrigkeit aufweist.
Daran anschließend, d. h. nach der Trocknung, wird die Faserfolienbahn 1 beispielsweise auf der Aufwickelvorrichtung 2 aufgewickelt, wobei durch die Nichtklebrigkeit der Faserfolienbahn 1 beim Aufrollen dieser keine Anordnung beispielsweise von Trennfolien erforderlich ist.
Zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles wird entsprechend der Abmessungen des zu fertigenden faserverstärkten Kunststoffbauteiles beispielsweise ein Teilstück oder mehrere Teilstücke von der Faserfolienbahn 1 angeschnitten und zugeschnitten, wobei bei Verwendung mehrer Teilstücke diese als Schichten aufeinander gelegt werden können. Dabei werden mehrere Teilstücke aufeinander gelegt, um eine vorgebbare Abmessung hinsichtlich einer Dicke des zu fertigenden faserverstärkten Kunststoffbauteiles sicherzustellen. D. h., dass das faserverstärkte Kunststoffbauteil in vorteilhafter Weise aus mehreren Lagen, d. h. Schichten, der Faserfolie gebildet sein kann.
Das eine Teilstück oder die mehreren aufeinander gestapelten Teilstücke werden beispielsweise in einer Umformpresse angeordnet, erwärmt und in eine vorgegebene Form gepresst, wobei durch den Pressvorgang erreicht wird, dass das aushärtbare Reaktivharz sich verdichtet.
Im Anschluss an die Formgebung des faserverstärkten Kunststoffbauteiles wird dieses in der Umformpresse ausgehärtet, wobei das faserverstärkte Kunststoffbauteil fertig gestellt wird.
In einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können bei Verarbeitung der Faserfolienbahn 1 auch gezielte Schichtenaufbauten zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteiles realisiert werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Oberflächenschicht elektrisch leitfähig zu gestalten, um die Oberfläche in einem elektrostatischen Lackierverfahren (ESTA-Verfahren) zu beschichten.
Darüber hinaus ist ein so genannter Sandwich-Aufbau des faserverstärkten Kunststoffbauteiles möglich, wobei das faserverstärkte Kunststoffbauteil beispielsweise in einem Randbereich dieses mit höherfesten Schichten versehen ist.
Beispielsweise kann ein Sandwichaufbau des faserverstärkten Kunststoffbauteiles mit einer Oberflächenschicht aus elektrisch leitfähigem Thermoplast mit einer Schichtdicke von 0,1 mm, einer ersten Tragschicht mit 50 Gewichtsprozent Glasfasern und einer Schichtdicke von 0,2 mm, einer Kernschicht mit 40 Gewichtsprozent Hohlglaskugeln und 10 Gewichtsprozent Polyesterfasern mit einer Schichtdicke von 1,0 mm (gegebenenfalls in mehreren Schichten) sowie einer zweiten Tragschicht mit 50 Gewichtsprozent Glasfasern und einer Schichtdicke von 0,2 mm gebildet sein.
Eine Aushärtung von Reaktionsharzkomponenten kann beispielsweise durch beheizte Werkzeuge erfolgen. Bei geeigneten Aushärtereaktionen ist es auch möglich, durch Vorwärmen, Mikrowelleaktivierung und/oder UV-Licht einen Reaktionsbeginn des Sandwich-Aufbaus vor dem Umformen einzuleiten.
Auch ist es denkbar, dass als Oberflächenschicht des faserverstärkten Kunststoffbauteiles eine Thermoplastfolie mitverpresst werden kann, wodurch bei vergleichsweise geringem Gewicht eine porenfreie Oberfläche erzeugt wird.
Alternativ zur Formgebung des faserverstärkten Kunststoffbauteiles mittels Umformpressen können die Teilstücke der Faserfolienbahn 1 auch in einem Tiefziehprozess umgeformt werden, insbesondere wenn in dem Sandwich-Aufbau eine Thermoplastfolie enthalten ist. Die Aushärtung kann hierbei ebenfalls mittels geheizten Werkzeugen oder anderen geeigneten Reaktionsmechanismen durchgeführt werden.
Anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die Faserfolie als Faserfolienbahn 1 insbesondere als Halbzeug mit hoher Produktivität zu erzeugen, wodurch in Gewinn bringender Weise Materialkosten und/oder Produktionskosten zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles reduziert werden können.

1: Faserfolienbahn
2: Abwickelvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10033322 B4 [0002]
- DE 3105673 A1 [0003]
- DE 4139226 A1 [0004]
- DE 60128317 T2 [0004]
- DE 69228662 T2 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lage einer Faserfolie in einer Umformpresse erhitzt, gepresst und ausgehärtet wird, wobei die Faserfolie nach folgenden Schritten hergestellt wird: – Vermischen und Dispergieren eines aushärtbaren Reaktionsharzes als Kunststoff-Matrix in Wasser und mit organischen und/oder anorganischen Verstärkungsfasern, und – Trocknen und Aufwickeln der Faserfolie.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsfasern Glasfasern, Kohlestofffasern und/oder Aramidfasern verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtbare Reaktionsharz in Form einer Suspension und/oder Emulsion dispergiert wird.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil, welches gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt ist.