DE102009057498A1

DE102009057498A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils

Info

Publication number: DE102009057498A1
Application number: DE102009057498A
Authority: DE
Inventors: Peter Michel; Franz-Georg Kind; Ahmad Al-Sheyyab; Ralf Sander
Original assignee: Rehau AG and Co
Current assignee: Rehau Automotive SE and Co KG
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-16
Also published as: WO2011069607A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Blasformen eines faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils, wobei ein Kunststoffschlauch hergestellt wird, dieser Kunststoffschlauch in einen Verstärkungsfasern enthaltenden Verstärkungsschlauch eingebracht wird, im Rahmen eines Blasformvorgangs der Kunststoffschlauch aufgeblasen und hierbei gegen die innere Oberfläche des Verstärkungsschlauchs gepresst wird, wobei während des Blasformvorgangs der Kunststoff- und der Verstärkungsschlauch gemeinsam gegen die innere Wandung eines Blasform-Werkzeugs gedrückt werden und hierdurch die Formgebung des faserverstärkten Kunststoff-Profils erfolgt. Gegenstand der Erfindung ist auch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Kunststoff-Hohlprofil (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils.
Faserverstärkte Kunststoffprofile gewinnen in der Praxis immer mehr an Bedeutung. Dies hängt insbesondere damit zusammen, dass das Gewicht von Bauteilen, welche beispielsweise in der Kraftfahrzeug- oder Flugzeugindustrie eingesetzt werden, vor dem Hintergrund der geforderten Reduzierung des CO₂-Ausstoßes eine sehr große Rolle spielt. Kunststoffprofile zeichnen sich gegenüber Metallbauteilen, beispielsweise aus Stahl, durch ein wesentlich niedrigeres Gewicht aus. Um eine vergleichbare mechanische Belastbarkeit dieser Kunststoff-Bauteile zu gewährleisten, werden die Kunststoffprofile häufig mit einer Faserverstärkung versehen.
So ist beispielsweise aus der DE 107 47 021 B4 ein Verfahren zum Spritzgießen endlos faserverstärkter Hohlkörper bekannt. Bei diesem Verfahren werden Schlauchgeflechte in einem Spritzgusswerkzeug positioniert und fixiert, so dass im Spritzgusswerkzeug bei einer Injektion der Kunststoffschmelze die Geflechte von innen von der Kunststoffschmelze durchströmt werden. Ein derartiges Verfahren verursacht jedoch vergleichsweise hohe Werkzeugkosten, da das Spritzgießen bei hohen Drücken durchgeführt werden muss.
Ein weiteres bekanntes Fertigungsverfahren für faserverstärkte Kunststoffprofile in einer thermoplastischen Matrix ist die Pultrusion. Hierbei werden nebeneinander liegende Verstärkungsfasern durch eine Pultrusionsdüse gezogen und dabei mit Kunstharz getränkt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass nur eine Faserorientierung in Profillängsrichtung realisiert werden kann. Entsprechend sind solche Bauteile z. B. für höhere Torsionsbeanspruchungen ungeeignet.
Beim Profil-Armierungsziehen wird das Herstellungsverfahren mit der Extrusion eines thermoplastischen Rohres begonnen. Dieses Rohr wird schon beim Abziehen aus der Extrusionsdüse durch Einziehen eines Rovings in Längsrichtung unidirektional verstärkt. In einem zweiten Schritt wird das extrudierte Rohr als Wickelkern benutzt, wobei in einer Wickelstation Faserschichten mit gezielter Faserorientierung auf das Rohr aufgebracht werden. Im weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses wird das trocken bewickelte Rohr in einen Heizbereich gezogen und dort im aufgeheizten Zustand durch einen Aufweitdorn radial aufgeweitet. In diesem Bereich findet die eigentliche Tränkung und Kompaktierung der Schichten statt. Auch dieses Verfahren ist sehr aufwändig.
Bekannt sind auch Spritzgieß-Sonderverfahren, bei denen das Montagespritzgießen mit der Fluidinjektionstechnik im Spritzgießverfahren kombiniert wird. Hierbei werden vorgewärmte Gewebehalbzeuge durch den Schmelzdruck vorgeformt und im selben Zyklus mittels Fluidinjektionstechnik weiter verformt und schließlich durch die Wärmeabfuhr konsolidiert. Nachteilig hier sind beispielsweise die hohen Kosten der Ausgangswerkstoffe sowie die mit dem Verfahren einhergehenden Beschränkungen hinsichtlich der realisierbaren Profilgeometrien.
Beim GIT-Blow-Verfahren wird ein mittels eines gewöhnlichen Spritzgießprozesses durch Gasinjektion erzeugter Hohlraum in einem zweiten Schritt aufgeblasen. Die Herstellung von komplex geformten Kunststoff-Hohlkörpern ist mit dieser Technologie allerdings vergleichsweise aufwändig, da hierbei verschiedene Komponenten zu einer Baugruppe zusammengefügt werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches die schnelle und kostengünstige Herstellung eines mechanisch hoch belastbaren, faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Blasformen eines faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils,

– wobei mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens ein Kunststoffschlauch hergestellt wird,
– wobei dieser Kunststoffschlauch in einen Verstärkungsfasern enthaltenden Verstärkungsschlauch eingebracht wird,
– wobei im Rahmen eines Blasformvorgangs der Kunststoffschlauch aufgeblasen und hierbei gegen die innere Oberfläche des Verstärkungsschlauchs gepresst wird und
– wobei während des Blasformvorgangs der Kunststoff- und der Verstärkungsschlauch gemeinsam gegen die innere Wandung eines Blasformwerkzeugs gedrückt werden und hierdurch die Formgebung des faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils erfolgt.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass mittels eines Blasformvorgangs auf sehr einfache Art und Weise eine innige Verbindung zwischen dem innen liegenden Kunststoffschlauch und dem umgebenden Verstärkungsschlauch hergestellt werden kann. Aufgrund des beim Blasformvorgang im Kunststoffschlauch vorliegenden Innendrucks dringt Material des noch im Schmelzezustand befindlichen Kunststoffschlauchs in die Gewebestruktur des Verstärkungsschlauchs ein, so dass eine innige Verbindung der beiden Schläuche entsteht. Im Rahmen der Erfindung liegt hierbei natürlich auch, dass der Verstärkungsschlauch von Material des Kunststoffschlauchs vollständig durchdrungen wird. Durch den Blasvorgang wird nicht nur die Formgebung des fertigen Bauteils bewirkt, sondern gleichzeitig eine Konsolidierung von noch im Schmelzezustand befindlichen Kunststoffschlauch und dem Verstärkungsschlauch herbeigeführt. Insgesamt erlaubt somit das erfindungsgemäße Verfahren auf schnelle und somit kostengünstige Weise die Herstellung eines mechanisch hoch belastbaren und dennoch sehr leichten Profils.
Zweckmäßigerweise wird als Verstärkungsschlauch ein Schlauchgeflecht oder ein Schlauchgewebe verwendet. Der Verstärkungsschlauch kann Mineral-(insbesondere Glas-) und/oder Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern enthalten, insbesondere in endloser Form. Vorzugsweise besteht das Schlauchgeflecht bzw. das Schlauchgewebe aus, insbesondere endlosen, Mineral-(insbesondere Glas-) und/oder Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern. Der Verstärkungsschlauch kann beispielsweise aus unidirektional in Schlauchachsenrichtung ausgerichteten, vorzugsweise endlosen, Verstärkungsfasern aufgebaut sein, die durch quer dazu angeordnete, vorzugsweise elastomere Bänder zusammengehalten werden. Hierdurch weist der Verstärkungsschlauch vorteilhaft eine während des Blasformvorganges ausgeprägte Flexibilität auf, so dass sich der Verstärkungsschlauch sehr genau an die Form des Blasformwerkzeuges anpassen kann.
Im Rahmen der Erfindung liegt es selbstverständlich aber auch, dass die Verstärkungsfasern entlang des Umfangs des Verstärkungsschlauchs mehrfach miteinander verwoben bzw. verflochten sind, so dass die einzelnen endlosen Verstärkungsfasern helixförmig verlaufen. Hierdurch ist eine nachhaltige Verstärkung des faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils quer zur Profillängsrichtung gewährleistet, so dass insbesondere eine hohe Torsionssteifigkeit vorliegt.
Der Verstärkungsschlauch kann zusätzlich auch, insbesondere endlose, Kunststofffasern enthalten. Diese Kunststofffasern schmelzen zweckmäßigerweise während des Blasformvorganges und der damit gleichzeitig einhergehenden Konsolidierung von Verstärkungsschlauch und Kunststoffschlauch zumindest teilweise auf und erleichtern hierdurch diese Konsolidierung.
Zweckmäßigerweise wird als Basispolymer für den Kunststoffschlauch Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polyetherimid (PEI), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder eine Mischung mindestens zweier dieser Polymere verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es selbstverständlich auch, dass der Kunststoffschlauch aus einem der vorgenannten Polymere bzw. einer Mischung mindestens zweier der vorgenannten Polymere besteht.
Zweckmäßigerweise wird der erfindungsgemäße Blasformvorgang bei einem Blasformdruck von 2 bis 100 bar, vorzugsweise 5 bis 50 bar, besonders bevorzugt 10 bis 30 bar durchgeführt. Der Druck ist somit wesentlich niedriger, als er beispielsweise bei einem Spritzgussvorgang üblich ist. Denkbar ist aber auch ein Hochdruck-Blasvorgang, z. B. bei einem Druck von 100 bis 500 bar, vorzugsweise 200 bis 400 bar.
Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass der Verstärkungsschlauch vor dem Blasformvorgang zusätzlich von einem Außenkunststoffschlauch umgeben wird, der während des Blasformvorgangs gemeinsam mit dem Kunststoff- und dem Verstärkungsschlauch gegen die innere Wandung des Blasformwerkzeugs gedrückt wird. Vorzugsweise wird auch dieser Außenkunststoffschlauch über einen Extrusionsprozess hergestellt. Der mit diesem Verfahren hergestellte dreischichtige Verbund erlaubt auf einfache Art und Weise eine vollständige Einbettung des Verstärkungsschlauches in eine von Kunststoffschlauch und Außenkunststoffschlauch gebildete Matrix.
Als Materialien für den Außenkunststoffschlauch können die bereits bezüglich des Kunststoffschlauchs genannten Materialien eingesetzt werden. Insbesondere können Kunststoffschlauch und Außenkunststoffschlauch aus demselben Material bestehen.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile können in vielfältiger Art und Weise eingesetzt werden. So kann das faserverstärkte Kunststoff-Hohlprofil insbesondere als Bauteil für Crashmanagementsysteme (CMS) in Kraftfahrzeugen, als tragendes Bauteil eines Kraftfahrzeug-Karosseriesystems oder allgemein als Kraftfahrzeug-Strukturbauteil ausgebildet sein. Hierbei können im Einzelnen als Kfz-Anwendungen Querträger, Dachträger, Space Frames, insbesondere auch Space Frame-Strukturen, Frontendträger, Türelemente, insbesondere Türrahmenelemente, aber auch Integralsitze wie Vorder- und Rücksitze von Kraftfahrzeugen im Allgemeinen genannt werden. Alternativ hierzu kann das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte faserverstärkte Kunststoff-Hohlprofil als Flugzeug-Strukturbauteil ausgebildet sein. Ganz allgemein ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Herstellung von Bauteilen für Transportmittel geeignet, welche neben Kraftfahrzeugen und Flugzeugen insbesondere auch den Eisenbahn- sowie den Schiffsbau etc. umfasst. Selbstverständlich sind die Anwendungsmöglichkeiten des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kunststoff-Hohlprofils aber nicht auf diese Anwendungen beschränkt, so dass gemäß Anspruch 10 ganz allgemein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte faserverstärkte Kunststoff-Hohlprofile unter Schutz gestellt sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils
2 ein alternatives erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren und
3 eine ausschnittsweise Darstellung eines bei einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verwendeten Verstärkungsschlauches.
Die 1 zeigt ein Verfahren zum Blasformen eines faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils 1. Hierbei wird zunächst mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens ein thermoplastischer Kunststoffschlauch 2 hergestellt. Dieser Schlauch 2 kann kontinuierlich oder aber auch diskontinuierlich hergestellt werden und befindet sich aufgrund des nachfolgenden Blasformvorgangs in einem heißen, formbaren Zustand. Der auch als Vorformling bezeichnete Kunststoffschlauch 2 wird in der Regel in einem angeflanschten Werkzeug 3 hergestellt und nach unten ausgestoßen. Die Materialstärke im Schlauch 2 wird dabei entsprechend der Form des fertigen Kunststoff-Hohlprofils 1 geregelt. Anschließend wird dieser Kunststoffschlauch 2 in einen Verstärkungsfasern 4 enthaltenden Verstärkungsschlauch 5 eingebracht. Anschließend fährt ein (nicht näher dargestellter) Dorn von oben oder unten in den Kunststoffschlauch 2 ein. Ein zu diesem Zeitpunkt noch geöffnetes, zweigeteiltes Blasform-Werkzeug 6 fährt zu und umhüllt die beiden Schläuche 2, 5 mit samt dem Dorn. Danach wird im Rahmen eines Blasformvorgangs der Kunststoffschlauch 2 aufgeblasen und hierbei gegen die innere Oberfläche des Verstärkungsschlauchs 5 gepresst. Während des Blasformvorgangs wird durch den Dorn Druckluft (s. aufwärts gerichteter Pfeil in der mittleren Darstellung der 1) in den Kunststoffschlauch 2 gepresst und hierdurch werden der Kunststoff- und der Verstärkungsschlauch 2, 5 gemeinsam gegen die innere Wandung des Blasform-Werkzeugs 6 gedrückt, wodurch die Formgebung des faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils 1 erfolgt. Während des Blasformvorgangs wird der Kunststoffschlauch 2 abgekühlt. Der Kunststoff passt sich so der vorgegebenen Form an und wird fest, wobei aufgrund des Innendrucks die Schmelze des Kunststoffschlauchs 2 zumindest teilweise in die offene Struktur des Verstärkungsschlauches 5 eindringt bzw. diese sogar durchdringt und somit eine Konsolidierung von Kunststoffschlauch 2 und Verstärkungsschlauch 5 herbeiführt.
Die in der 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine nicht näher dargestellte Fixiereinrichtung zur Fixierung des Verstärkungsschlauches 5 während des Einbringens des Kunststoffschlauches 2 bzw. des nachfolgenden Blasformvorgangs auf. Durch Variation der Materialstärke des Kunststoffschlauchs 2 lässt sich die Dicke des Kunststoffs im fertigen Kunststoff-Hohlprofil 1 steuern. Das erfindungsgemäße Blasformverfahren besitzt gegenüber dem Spritzgießen den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise Hohlteile hergestellt werden können und auch Hinterschnitte ohne Schieber in begrenztem Ausmaß herstellbar sind. Eine Variation der Wanddicke ist gegenüber dem Spritzgießen beim Blasformverfahren direkt möglich.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 wird als Verstärkungsschlauch 5 ein Schlauchgeflecht oder alternativ ein Schlauchgewebe verwendet, welches einen hybriden Charakter aufweist, also z. B. endlose Glas- und Kohlenstofffasern 4 enthält. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass gemäß 3 der Verstärkungsschlauch 5 aus unidirektional in Schlauchachsenrichtung x ausgerichteten Verstärkungsfasern 4 aufgebaut ist, die durch quer dazu angeordnete, elastomere Bänder 7 zusammengehalten werden. Alternativ hierzu gewährleistet eine innige Verwebung bzw. Verflechtung der endlosen Verstärkungsfasern gemäß 1 und 2 insbesondere eine hohe Torsionssteifigkeit des fertigen Kunststoff-Hohlprofils 1. Zusätzlich zu den Glas- und Kohlenstofffasern 4 enthält der Verstärkungsschlauch 5 gemäß 3 auch Kunststofffasern 4'. Diese Kunststofffasern 4' schmelzen während des Blasformvorgangs aufgrund der angepressten, heißen Schmelze des Kunststoffschlauchs 2 zumindest teilweise auf und erleichtern hierdurch die Konsolidierung von Verstärkungsschlauch 2 und Kunststoffschlauch 5.
Der in der 1 dargestellte Kunststoffschlauch besteht aus PP, PA, PEI, PPS oder PEEK, oder aber auch einer Mischung mindestens zweier dieser Polymere. Der Blasformvorgang wird bei einem Druck von 5 bis 50 bar, vorzugsweise 10 bis 30 bar durchgeführt.
Bei dem in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verstärkungsschlauch 2 vor dem Blasformvorgang zusätzlich von einem mittels eines weiteren Extrusionswerkzeugs 3' hergestellten Außenkunststoffschlauch 8 umgeben, der während des Blasformvorgangs gemeinsam mit dem Kunststoff- und dem Verstärkungsschlauch 2, 5 gegen die innere Wandung des Blasform-Werkzeugs 6 gedrückt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10747021 B4 [0003]

Claims

Verfahren zum Blasformen eines faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils, – wobei mit Hilfe eines Extrusionsverfahrens ein Kunststoffschlauch hergestellt wird, – wobei dieser Kunststoffschlauch in einen Verstärkungsfasern enthaltenden Verstärkungsschlauch eingebracht wird, – wobei im Rahmen eines Blasformvorgangs der Kunststoffschlauch aufgeblasen und hierbei gegen die innere Oberfläche des Verstärkungsschlauchs gepresst wird und – wobei während des Blasformvorgangs der Kunststoff- und der Verstärkungsschlauch gemeinsam gegen die innere Wandung eines Blasform-Werkzeugs gedrückt werden und hierdurch die Formgebung des faserverstärkten Kunststoff-Hohlprofils erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Verstärkungsschlauch ein Schlauchgeflecht oder ein Schlauchgewebe verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verstärkungsschlauch Mineral-, insbesondere Glas-, und/oder Kohlenstoff- und/oder Aramidfasern enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verstärkungsschlauch aus unidirektional in Schlauchachsenrichtung ausgerichteten Verstärkungsfasern aufgebaut ist, die durch quer dazu angeordnete, vorzugsweise elastomere, Bänder zusammengehalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Basispolymer für den Kunststoffschlauch PP, PA, PEI, PPS, PEEK oder eine Mischung der Polymere verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Blasformvorgang bei einem Blasformdruck von 2 bis 100 bar, vorzugsweise 5 bis 50 bar, besonders bevorzugt 10 bis 30 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Verstärkungsschlauch vor dem Blasformvorgang zusätzlich von einem Außenkunststoffschlauch umgeben wird, der während des Blasformvorgangs gemeinsam mit dem Kunststoff- und dem Verstärkungsschlauch gegen die innere Wandung des Blasform-Werkzeugs gedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das faserverstärkte Kunststoff-Hohlprofil als Bauteil für Crashmanagementsysteme in Kraftfahrzeugen, als tragendes Bauteil eines Kfz-Karosseriesystems oder allgemein als Kfz-Strukturbauteil ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das faserverstärkte Kunststoff-Hohlprofil als Flugzeug-Strukturbauteil ausgebildet ist.
Faserverstärktes Kunststoff-Hohlprofil (1) hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 9.