DE102009035695B4 - Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Bauteils aus Polyurethan mit einem Metalleinleger und nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Bauteils aus Polyurethan mit einem Metalleinleger mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Aufspannen eines ersten Glasfasergewebes außerhalb eines Werkzeuges, b) Besprühen des ersten Glasfasergewebes mit einer Polyurethan-Masse, c) Einlegen des mit der Polyurethan-Masse getränkten ersten Glasfasergewebes in das Werkzeug, d) Einlegen eines Metalleinlegers in das Werkzeug, e) Aufspannen eines zweiten Glasfasergewebes außerhalb des Werkzeuges, f) Besprühen des zweiten Glasfasergewebes mit einer Polyurethan-Masse, g) Einlegen des mit der Polyurethan-Masse getränkten zweiten Glasfasergewebes in das Werkzeug, h) Schließen des Werkzeuges, i) Aushärten der Polyurethan-Masse bei erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Druck, j) Öffnen des Werkzeuges und Entnahme des fertigen Bauteils, wobei die Schritte e) und f) wahlweise auch parallel zu den Schritten a) und b) erfolgen können.

Description

  • Die Erfindung betrifft den Aufbau und die Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoffbauteilen aus Polyurethan mit einem Metalleinleger zur deren Versteifung.
  • Bekannt ist eine Vielzahl von verschiedenen Verbundbauteilen mit verschiedenartigem Schichtaufbau. Grundsätzliches Ziel ist es, eine hohe Steifigkeit mit einem geringen Gewicht zu verbinden. Hierzu ist es von Vorteil, wenn zwischen zwei vorwiegend dünneren Schichten mit höherer Festigkeit eine dickere Schicht mit geringerer Festigkeit und insbesondere sehr niedrigem Gewicht integriert wird. Durch diesen Aufbau wird insbesondere eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit erreicht. So sind aus dem Stand der Technik Systeme bekannt mit einer Schichtfolge aus einer glasfaserverstärkten Kunststoffschicht, einer wabenartigen Papierschicht und wiederum einer glasfaserverstärkten Kunststoffschicht. Grundsätzliche Aufgabe ist es dabei, eine feste Verbindung zwischen den Schichten herzustellen. Um eine hohe Steifigkeit des Bauteils zu erreichen, kann zu diesem Zwecke eine kunststoffgetränkte Glasfasermatte für die beiden äußeren Schichten eingesetzt werden. Ein bevorzugtes Ausgangsmaterial ist Prepreg, die englische Kurzform für preimpregnated fibres. Prepreg bezeichnet ein Halbzeug, bestehend aus Endlosfasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix, das somit vor allem im Leichtbau Verwendung findet. Die Endlosfasern können als reine unidirektionale Schicht, als Gewebe oder Gelege vorliegen. Prepreg wird bahnförmig, auf Rollen gewickelt, geliefert. Die Aushärtung erfolgt unter hohen Temperaturen und unter höherem Druck in einem Autoklaven, welcher jedoch einen hohen Investitionsaufwand erfordert.
  • Ein Beispiel mit einem ähnlichen Arbeitsverfahren offenbart die Patentschrift DE 10 2007 038 926 B3 . Hierbei wird zur Verstärkung des faserverstärkten Strukturbauteils eine Metallschicht eingesetzt. Zu diesem Zwecke wird ein Metallblech zur weiteren Steigerung der Steifigkeit mit einer Profilierung versehen. Um dieses im faserverstärkten Strukturbauteil einsetzen zu können, ist es jedoch erforderlich, einen flächigen Anschluss an die faserverstärkte Kunststofflage, welche in der Regel ein Prepreg ist, herzustellen. Zu diesem Zwecke wird das profilierte Metallblech mit einer Gießharzmasse besprüht, so dass sich eine durchgehende Oberfläche ergibt, an welcher die faserverstärkte Kunststofflage angelegt werden kann. Die derart zusammengefügten Schichten aus der faserverstärkten Kunststofflage in Form von Prepreg und der Gießharz getränkten Metalllage werden üblicherweise in einem Autoklaven ausgehärtet.
  • In der Schrift DE 10 2004 034 413 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kunststoff-Haustür vorgestellt. Zur Realisierung eines mehrschichtigen Aufbaus wird in eine untere Werkzeughälfte eine Fasermatte eingelegt, darauf folgend ein Schaumkern als Abstandshalter und darauf folgend wiederum eine Fasermatte. Mittels des Spritzverfahrens wird ein Gießharz in die Werkzeugform eingepresst, welches den Schaumkern umfließt und die Fasermatten durchtränkt. Nachfolgend härtet das Gießharz aus und bildet beidseitig des Schaumkerns eine faserverstärkte Kunststoffschicht.
  • Das zuvor benannte Verfahren kann jedoch nur zweckmäßig eingesetzt werden, um Bauteile mit hoher Wandstärke herzustellen. Hierbei kann jedoch eine Verschiebung der Lage des Schaumkerns in der Mitte des Bauteils durch den Spritzvorgang nicht verhindert werden. Insofern ist ein Aufbau des Verbundbauteils nicht in engen Parametern möglich. In Ergänzung führt der Prozessschritt des Spritzgießens zu der Problematik, dass die Faserlagen zwangsläufig verschoben werden und hierbei fallweise nach innen an den Schaumkern oder nach außen an die Werkzeugwandung gepresst werden. Insofern ist es faktisch ausgeschlossen, ohne zusätzliche Beschichtung der Außenseiten eine verwendungsfähige Oberfläche zu erzielen.
  • Sofern der Bauraum begrenzt ist, kann nicht der vorteilhafte Schichtaufbau mit einem Schaumkern oder Papierwabenkern gewählt werden. Um nicht ein in der Herstellung teures Metallbauteil einsetzen zu müssen, wird vielfach angestrebt, ein Kunststoffbauteil einzusetzen. Um wiederum eine hohe Steifigkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn zum einen ein hoher Glasfaseranteil eingesetzt und zum zweiten möglichst lange Glasfasern verwendet werden können. Zu diesem Zwecke werden entsprechende Bauteile häufig im SMC-Verfahren hergestellt. Ein Sheet Molding Compound (SMC) bezeichnet teigartige Pressmassen aus duroplastischen Reaktionsharzen und Glasfasern zur Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden. In SMC liegen alle nötigen Komponenten vollständig vorgemischt, fertig zur Verarbeitung, vor. In der Regel werden Polyester- oder Vinylesterharze verwendet. Die Verstärkungsfasern liegen in Mattenform vor, deren typische Faserlänge beträgt 25–50 mm. Eigenschaften und Bezeichnungen von SMC sind in der DIN EN 14598 geregelt. Die SMC-Matten werden in die eine in das Werkzeug passende Form, in der Regel rechteckig, geschnitten und in einem Werkzeug und Druck in die endgültige Form gebracht und mit erhöhter Temperatur ausgehärtet. Die Herstellung ist deutlich kostengünstiger als die Verwendung von Prepregs, jedoch besitzen diese Bauteile schon aufgrund der geringeren Faserlänge eine geringere Festigkeit.
  • Sofern die Steifigkeit von einem SMC-Bauteil nicht ausreicht, jedoch nicht die notwendige Bauhöhe für ein Schichtmodul vorhanden ist, wird als Lösung häufig bei SMC-Bauteilen ein Metalleinleger verwendet. Da zur Herstellung eines SMC-Bauteils eine mit dem nicht ausgehärteten Harz getränkte Glasfasermatte verwendet wird, welche in das Werkzeug eingelegt wird, ist es notwendig, den Metalleinleger auf einer Seite des Werkzeugs vorab einzusetzen. Somit ergibt sich zwangsläufig, dass der Metalleinleger auf einer Seite des fertigen Bauteils zu liegen kommt. Die Forderung, den Einleger im Werkzeug zu fixieren, ergibt sich u. a. dadurch, dass die Matte eher eine rechteckige Form als Einleger besitzt und erst durch das Schließen des Werkzeuges in die Form des Bauteils gepresst wird. Würde nun der Einleger lose auf die Matte gelegt, wäre dessen Lage in keinster Weise gewährleistet.
  • Verwendung finden derartige Bauteile mit Metalleinleger unter anderem bei Fahrzeugen in einem Dach, z. B. als Dachmodul, insbesondere, wenn ein Dachfenster vorhanden ist und somit eine umlaufende Versteifung erforderlich wird. Kommen nun vergleichbare bzw. nahezu baugleiche Dachmodule zum Einsatz, bei denen lediglich die Größe des Dachfensterausschnittes variiert, so wird nach dem Stand der Technik für jede Größe des Dachfensters ein passender Metallrahmen als versteifendes Element hergestellt, was wiederum für jeden Metalleinleger ein Press- und Stanzwerkzeug erforderlich macht.
  • Sofern auf der Oberfläche des Bauteils eine weitere Schicht aufgebracht wird, ist es von Vorteil, wenn die gesamte Oberfläche die gleichen Eigenschaften aufweist. Folglich ist ein offen liegender Metalleinleger von Nachteil. Ebenso erfordert ein offen liegender Metalleinleger einen Korrosionsschutz, der weitgehend entfallen kann, sofern dieser vollständig vom Kunststoff umgeben ist.
  • Bei einer Anwendung als Außenfläche des Fahrzeugs ist es erforderlich, dass die Oberfläche in Wagenfarbe gestaltet ist. Dieses ist in jedem Falle nur durch eine weitere Oberflächenbeschichtung oder zusätzliche Schicht zu realisieren. Zu diesem Zwecke wird auf Bauteilen nach dem Stand der Technik zunächst eine Grundierung aufgebracht, die anschließend lackiert werden kann.
  • Insofern sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, um stabile und verstärkte Schichtbauteile herzustellen. Jedoch sind diese bekannten Verfahren immer mit hohen Herstellungskosten verbunden, so dass deren Einsatz in der Serienproduktion für z. B. Fahrzeugbauteile nicht wirtschaftlich angewendet werden kann.
  • Aufgabe ist es daher, ein Material mit geringer Bauhöhe bereitzustellen, welches gleichzeitig eine hohe Steifigkeit aufweist und bei dem es keine Metallflächen auf der Oberfläche gibt. Verwendung findet das Material in einem Dachmodul für ein Fahrzeug, bei dem innerhalb eines großflächigen Bauteils eine Ausnehmung für ein Dachfenster vorhanden ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Zur Erzielung einer hohen Steifigkeit bei geringem Gewicht wird als Ausgangsmaterial ein Kunststoff mit einem hohen Anteil an Glasfasern gewählt. Vergleichbar mit einem Prepreg wird eine Glasfasermatte eingesetzt, die jedoch erst bei der Herstellung des Bauteils mit der vorbereiteten Polyurethan-Masse versetzt wird. Zu diesem Zwecke wird außerhalb des Werkzeugs eine Glasfasermatte gehalten, die mittels Sprühköpfen mit der Polyurethan-Masse benetzt wird. Diese Matte wird im folgenden Schritt in das Werkzeug eingelegt. Zur Erzielung der geforderten Steifigkeit ist es nun erforderlich, einen Einleger in Form eines Metallbleches in das Werkzeug einzulegen. Um nun eine sichere Haftung des Einlegers im Kunststoffbauteil sowie ein vollständiges Einschließen des Metalls zu erreichen, wird im folgenden Schritt eine zweite Glasfasermatte im gleichen Verfahren mit einer Polyurethan-Masse besprüht und anschließend in das Werkzeug eingelegt. Nach dem Schließen des Werkzeuges erfolgt die Aushärtung der Polyurethan-Masse unter höherem Druck und erhöhter Temperatur.
  • Dies entspricht in erster Annäherung der Fertigung eines SMC-Bauteils, jedoch kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Glasfaseranteil von deutlich über 50% erreicht werden, wobei insbesondere hierbei lange Glasfasern, welche bis annähernd an die Ausdehnung des Bauteils heranreichen, verwendet werden. Somit wird eine deutliche Festigkeitssteigerung gegenüber einem SMCBauteil erreicht.
  • Der Metalleinleger kann in diesem Falle sowohl aus einem geformten Stahlblech als auch aus anderen Metallen, wie z. B. Aluminium oder Magnesium, bestehen.
  • Verwendung finden kann ein derart hergestelltes Bauteil vorzugsweise bei einem Fahrzeug, wobei hier die Verwendung als Teil des Daches, z. B. Dachmodul, besonders vorteilhaft ist. Durch die Technik, den Metalleinleger vollständig zu umschließen, ist dessen Lage relativ zu einem Dachfenster nicht mehr entscheidend. Es ist lediglich erforderlich, den Bereich um einen Dachfensterausschnitt ausreichend zu versteifen. Somit ist es möglich, den gleichen Metalleinleger für verschiedene Größen von Dachfenstern einzusetzen. Dadurch wird ein merklicher Kostenvorteil gegenüber der klassischen Bauart erreicht, insbesondere, wenn kleine Serien verschiedener Dachmodule hergestellt werden, bei denen durch die Erfindung immer der gleiche Metalleinleger Verwendung finden kann.
  • Der Metalleinleger wird in der Regel durch ein Blech gebildet, welches sowohl eben als auch profiliert sein kann. Da dies vorwiegend zur Versteifung eines Dachfensterausschnittes vorgesehen ist, bildet insofern die Versteifung einen Rahmen. Bei der vorteilhaften Verwendung des immer gleichen Rahmens für ähnliche Dachbauteile ist folglich der Abstand von der Innenkante des rahmenartigen Metalleinlegers zur Öffnung abhängig von der Größe der Öffnung. Dieser Abstand wird aber vorzugsweise in keinem Falle zu Null, da ansonsten die vollständige Umschließung des Metalleinlegers nicht mehr gewährleistet ist und somit wieder der Korrosionsschutz erforderlich würde.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es erstmalig, das fertige Bauteil mittels eines bei Fahrzeugkarosserien standardmäßig eingesetzten KTL-Beschichtungsverfahrens zu behandeln. Die Beschichtung mittels der kathodischen Tauchlackierung (KTL) wird bei Temperaturen von ca. 160°C durchgeführt. Die thermische Belastung wird insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren zulässig. Somit eignet sich das Verfahren insbesondere auch für Bauteile der Außenhaut eines Fahrzeugs.
  • Verschiedene Aspekte der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Verbundbauteil im Schnitt mit einer mittigen Öffnung sowie einem Metalleinleger;
  • 2 eine detaillierte Ansicht vom Schnitt im Bereich des Metalleinlegers;
  • 3 die wesentlichen Verfahrenskomponenten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt Anwendung in der Herstellung von Komponenten als Teile von Dachmodulen von Fahrzeugen. In 1 ist beispielhaft ein Schnitt durch ein Dachmodul (01) skizziert. Dieses im Wesentlichen flächige Bauteil ist zu den Rändern entsprechend der Fahrzeuggeometrie abgewinkelt. Mittig ist eine Öffnung (02) für ein Dachfenster vorhanden. Zur Versteifung des gesamten Bauteils um den Ausschnitt herum ist ein Metalleinleger (03) vorhanden. Dieser befindet sich mittig zwischen zwei Schichten aus glasfaserverstärktem Polyurethan (04, 05).
  • In ist der Aufbau der Schichten detaillierter dargestellt. Der Metalleinleger (03) befindet sich wiederum mittig zwischen den Schichten. Zu erkennen ist, dass die Glasfasern der ersten Schicht (06) sich auf der einen Seite des mehrschichtigen Aufbaus in der Fläche erstrecken. Ebenso verhält es sich mit den Glasfasern der zweiten Schicht (07), die entsprechend auf der anderen Seite zu liegen kommen. Eine Verflechtung der Glasfasern von der ersten mit der zweiten Schicht ist im Wesentlichen nicht vorhanden. Die Polyurethan-Matrix, welche die Glasfasern vollständig umgibt und das eigentliche Bauteil bildet, wird durch die Polyurethan-Masse der ersten Schicht (08) sowie durch die Polyurethan-Masse der zweiten Schicht (09) gebildet, ohne dass eine Trennung in die beiden Schichten erkennbar wird. Durch die Aufbringung der Polyurethan-Masse (08, 09) auf beide Glasfaser-Matten (06, 07) ist sichergestellt, dass zum einen das gesamte Bauteil vollständig mit der Polyurethan-Masse gefüllt ist, zum anderen wird hierdurch erst gewährleistet, dass auch der Metalleinleger (03) vollständig eingeschlossen ist. Dies gewährleistet zum einen den geforderten Korrosionsschutz, wozu auch der Abstand von der Innenkante des rahmenartigen Metalleinlegers zur Öffnung in keinem Falle zu Null wird. Des Weiteren verbessert die erfindungsgemäße Gestalt die vorteilhafte Haftung des Metalleinlegers (03) an der glasfaserverstärkten Polyurethan-Schicht (04, 05) sowie die problemlose Applizierung einer weiteren Schicht in einem nachfolgenden Verfahren, wie z. B. eine Lackierung oder eine Aufbringung eines Bezuges.
  • In wird skizzenhaft das Verfahren zur Herstellung entsprechender Bauteile dargestellt. Zunächst einmal gibt es ein Werkzeug, bestehend aus zwei Formhälften (10, 11), welches die entsprechende Bauteilform wiedergibt. Außerhalb des Werkzeugs wird nun im ersten Verfahrensschritt die erste Glasfaser-Matte (06) aufgespannt. Hierzu sind verschiedene Vorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt, auf die nicht weiter eingegangen werden soll. Auf dieser ersten Glasfaser-Matte (06), wobei zu betonen ist, dass es sich um näherungsweise vollständige Glasfasern handelt und nicht nur wenige Millimeter lange Stücke, wie dies beim SMC-Verfahren üblich ist, wird nun über einen Sprühkopf (12) eine vorbereitete Mischung in Form einer Polyurethan-Masse (08) auf die Glasfaser-Matte (06) aufgetragen. Durch die Gewebestruktur der Glasfaser-Matte (06) führt dies zu einem „Aufsaugen” der Polyurethan-Masse, so dass sich die aufgetragene Masse vollständig auf der Matte verteilt, in dieser verbleibt und eine erste Schicht (04) bildet. Diese erste Schicht (04) wird nun in das Werkzeug auf die untere Formhälfte (10) aufgelegt. Im folgenden Schritt wird nun der großflächige Metalleinleger (03) auf die erste Schicht (04) aufgelegt. Nun wiederholt sich der Prozess für die zweite Schicht (05), indem wiederum eine Glasfaser-Matte (07) aufgespannt wird. Dort wird ebenso wie bei der ersten Schicht nun die Polyurethan-Masse (09) aufgetragen. Somit entsteht die zweite Schicht (05) aus einer Glasfaser-Matte mit einer Polyurethan-Masse (09). Die zweite Schicht (05) wird nun nach dem Auflegen des Metalleinlegers (03) auf diesen sowie auf die erste Schicht (04) aufgelegt. Je nach Anordnung der Produktionsanlagen ist es natürlich auch möglich, die Erstellung der zweiten Schicht (05) mit dem Aufspannen der Glasfaser-Matte (08) sowie mit dem Auftragen der Polyurethan-Masse (09) parallel zur Erstellung der ersten Schicht (04) durchzuführen. Relevant ist in diesem Zusammenhang die Reihenfolge des Einlegens in das Werkzeug. Nachdem die erste Schicht (04), der Metalleinleger (03) sowie die zweite Schicht (05) eingelegt sind, wird das Werkzeug geschlossen, indem die obere Formhälfte (11) auf die untere Formhälfte verbracht wird und dabei mit einem Druck beaufschlagt wird. Hierdurch werden die Schichten (04, 05) weitgehend in ihre endgültige Form gepresst. Hierbei verbinden sich die beiden Polyurethan-Massen (08, 09) untrennbar miteinander. Eine erhöhte Temperatur des Werkzeuges ermöglicht den Aushärtevorgang der Polyurethan-Masse (08, 09). Durch den dabei auftretenden Quellvorgang wird abschließend die endgültige Form erreicht. Nach ausreichender Aushärtung der Polyurethan-Masse (08, 09) kann das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen werden. Somit entsteht durch das erfindungsgemäße Verfahren ein sehr flaches, hochstabiles und dennoch kostengünstiges Bauteil (01).
  • Insbesondere bei weitgehend gleichen Bauteilen, jedoch mit verschieden großen Öffnungen (02), zeigen sich die Vorteile dieses Herstellungsverfahrens, insofern als es möglich ist, einen identischen Metalleinleger (03) für die verschiedenen Bauteile zu verwenden.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines glasfaserverstärkten Bauteils aus Polyurethan mit einem Metalleinleger mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Aufspannen eines ersten Glasfasergewebes außerhalb eines Werkzeuges, b) Besprühen des ersten Glasfasergewebes mit einer Polyurethan-Masse, c) Einlegen des mit der Polyurethan-Masse getränkten ersten Glasfasergewebes in das Werkzeug, d) Einlegen eines Metalleinlegers in das Werkzeug, e) Aufspannen eines zweiten Glasfasergewebes außerhalb des Werkzeuges, f) Besprühen des zweiten Glasfasergewebes mit einer Polyurethan-Masse, g) Einlegen des mit der Polyurethan-Masse getränkten zweiten Glasfasergewebes in das Werkzeug, h) Schließen des Werkzeuges, i) Aushärten der Polyurethan-Masse bei erhöhter Temperatur und/oder erhöhtem Druck, j) Öffnen des Werkzeuges und Entnahme des fertigen Bauteils, wobei die Schritte e) und f) wahlweise auch parallel zu den Schritten a) und b) erfolgen können.
  2. Bauteil mit einem vollständig zwischen zwei Glasfasermatten und einer Polyurethan-Masse eingeschlossenen Metalleinleger, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1.
  3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil der Glasfasern im fertigen Bauteil ohne Betrachtung des Metalleinlegers über 55%, vorzugsweise über 60%, beträgt.
  4. Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalleinleger aus einem Stahlblech gebildet ist.
  5. Bauteil nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalleinleger die Gestalt eines Rahmens besitzt.
  6. Bauteil nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das fertige Bauteil eine gewölbte Form besitzt.
  7. Bauteil nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fertige Bauteil eine Stärke von weniger als 5 mm besitzt.
  8. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bauteil eine Öffnung in einer Größe von mehr als 500 cm2 vorhanden ist, wobei die Öffnung von einem rahmenförmigen Metalleinleger umgeben ist, wobei der Rand der Öffnung vom inneren Rand des Metalleinlegers beabstandet ist.
  9. Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 2 bis 8 als Fahrzeugdach.
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