DE102010022508A1

DE102010022508A1 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102010022508A1
Application number: DE102010022508A
Authority: DE
Inventors: Willy Dauner; Frank Dr.-Ing. Hoecker; Bernd Dr.-Ing. Liedtke
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: DE102010022508B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (24), bei welchem eine Faservorform (10) in eine Formkavität (12) eines Formwerkzeugs (14) eingebracht und ein Matrixmaterial unter Infiltration der Faservorform (10) in die auf eine erste vorgegebene Temperatur beheizte Formkavität (12) injiziert wird, wobei nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials die Formkavität (12) auf eine zweite vorgegebene Temperatur erwärmt und das Matrixmaterial ausgehärtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Solche Verfahren sind dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Sie werden üblicherweise als Resin Transfer Molding (RTM) bezeichnet. Hierbei wird ein Faservorformling in eine Kavität eines Formwerkzeuges eingelegt und im geschlossenen Formwerkzeug mit Matrixmaterial umspritzt. Das Matrixmaterial ist üblicherweise ein Ein- oder Mehrkomponentenharz, welches nach thermischer Aktivierung zu einer duroplastischen Matrix vernetzt. Ebenso möglich sind aber auch flüssige Ausgangs- bzw. Zwischenprodukte von thermoplastischen Materialien, die ebenfalls nach thermischer Aktivierung polymerisieren. Um diese Aktivierung zu gewährleisten, wird das Formwerkzeug üblicherweise beheizt.
Bei der Durchführung derartiger Verfahren muss sichergestellt werden, dass die Kavität vollständig und blasenfrei mit dem Matrixmaterial gefüllt wird. Üblicherweise sind die Formwerkzeuge ständig beheizt, so dass mit Beginn der Injektion des Matrixmaterials die Vernetzungsreaktion einsetzt. Eine Steuerung des Zeitablaufs zur vollständigen Vernetzung des Matrixmaterials wird üblicherweise durch die chemische Zusammensetzung des Harzes erreicht. Je nach Komplexität der zu befüllenden Kavität bzw. des zu filtrierenden Faservorformlings sind daher die möglichen Zusammensetzungen des Matrixmaterials eingeschränkt.
Aus der DE 10 2007 060 739 A1 ist ein Verfahren bekannt, welches die Infiltration der Kavität verbessern soll. Bei einem solchen Verfahren werden Oberflächenbereiche des Formwerkzeugs bzw. der Kavität unterschiedlich stark beheizt, um die Viskosität des Matrixmaterials bei der Injektion gezielt zu steuern. Hierbei soll insbesondere eine homogene Fließfront erzielt werden, wozu Bereiche der Kavität, in denen die Fließfront verlangsamt werden soll, auf eine geringere Temperatur gebracht werden, um so über eine höhere Viskosität den Fluss des Matrixmaterials in diesen Bereichen zu verlangsamen. Auch bei derartigen Verfahren setzt die Vernetzungsreaktion des Matrixmaterials bereits bei Injektionsbeginn ein, so dass auch hier der zeitliche Verlauf der Vernetzung durch die Zusammensetzung des Matrixmaterials gesteuert werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, welches eine zuverlässige Injektion des Matrixmaterials in ein Formwerkzeug gewährleistet und gleichzeitig kurze Taktzeiten bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils wird eine Faservorform in eine Formkavität eines Formwerkzeugs eingebracht. Nach Einbringen der Vorform und Schließen des Werkzeugs wird ein Matrixmaterial unter Infiltration der Faservorform in die Formkavität injiziert, welche dabei auf eine erste vorgegebene Temperatur beheizt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials die Formkavität auf eine zweite vorgegebene Temperatur erwärmt und das Matrixmaterial ausgehärtet wird. Durch die zeitlich variable Temperatursteuerung bei der Durchführung eines solchen Verfahrens wird die Injektion des Matrixmaterials von der Vernetzung des Matrixmaterials entkoppelt. Eine Steuerung des Injektions- und Vernetzungsverlaufs kann somit durch die zeitlich variable Temperatursteuerung erfolgen, was die Anwendung frei wählbarer Zusammensetzungen des Matrixmaterials ermöglicht. Durch das Erhöhen der Temperatur nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials wird die Vernetzungsreaktion beschleunigt, so dass mit einem solchen Verfahren eine besonders schnelle Aushärtung des Matrixmaterials und damit eine besonders hohe Taktrate des Formwerkzeugs erzielt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt die erste vorgegebene Temperatur unterhalb und die zweite vorgegebene Temperatur oberhalb eines Schwellentemperatur der Vernetzungsreaktion des Matrixmaterials. Unter der Schwellentemperatur soll hierbei diejenige Temperatur verstanden werden, bei welcher die Reaktionsrate der Vernetzungsreaktion des Matrixmaterials unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Mit anderen Worten findet bei einem derart durchgeführten Verfahren während der Injektion des Matrixmaterials noch keinerlei Vernetzung bzw. nur ein sehr geringes Ausmaß an Vernetzung des Matrixmaterials statt. Es kann daher sichergestellt werden, dass die Kavität vollständig mit dem Matrixmaterial gefüllt wird, ohne dass sich bereits lokal angelierte, also bereits leicht vernetzte, Bereiche mit höheren Viskositäten bilden, die ein Nachfließen weiteren Matrixmaterials behindern könnten. Erst wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, wird die Temperatur entsprechend erhöht, so dass die Vernetzungsreaktion und damit die Aushärtung des Matrixmaterials möglichst schnell vonstatten geht, um eine zeitnahe Entformung des fertigen Faserverbundbauteils zu ermöglichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nach einer vorgegebenen Aushärtezeit die Formkavität wieder auf die erste vorgegebene Temperatur abgekühlt, um so ein Entformen des fertigen Faserverbundbauteils bei niedriger Temperatur zu ermöglichen und sofort eine neue Injektion bei niedriger Temperatur durchführen zu können.
Vorzugsweise beträgt die zweite vorgegebene Temperatur mehr als 80°C, insbesondere mehr als 150°C und ganz besonders bevorzugt 190°C bis 200°C. Diese Temperaturen liegen deutlich über den Prozesstemperaturen konventioneller isothermer Resin-Transfer-Molding-Prozesse, die üblicherweise bei oder knapp unter 80°C geführt werden. Hierdurch wird eine besonders schnelle Vernetzung des Matrixmaterials sichergestellt. Gegebenenfalls können in Zusammenhang mit einem solchen Verfahren auch einfachere, beispielsweise einkomponentige Harzsysteme als Matrixmaterial Anwendung finden, was durch die geringeren Harzpreise und reduzierte Komplexität der Injektionsanlage Kosten einspart. Gegebenenfalls können auch die Injektionsdrücke reduziert werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung folgt der Übergang zwischen der ersten und der zweiten bzw. der zweiten und der ersten vorgegebenen Temperatur einem jeweiligen vorgegebenen Temperaturprofil. Durch eine genaue Temperaturprofilsteuerung kann der Injektions- bzw. Vernetzungsprozess des Matrixmaterials besonders exakt gesteuert werden.
In diesem Zusammenhang kann als direkte Regelungs- und Steuerungsgröße für den Aushärtungsprozess bzw. dessen aktive Temperaturführung ein Signal eines Sensors dienen, der sich in der Werkzeugoberfläche befindet und mit dem vernetzenden Harz bzw. einem polymerisierenden Thermoplast-Vorprodukt in Kontakt steht. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein dielektrisches Signal. Ein solches dielektrisches Signal spiegelt direkt den Grad der Vernetzung bzw. Polymerisation wider und macht als Steuergröße den Aushärtungsprozess unabhängig von Temperaturschwankungen, Reaktivitätsschwankungen der Harze etc. und trägt damit maßgeblich zu robusteren Prozessen und verbesserter Qualität bei.
Vorzugsweise wird die Formkavität vor der Injektion Matrixmaterial evakuiert. Dies erleichtert die Infiltration des Faservorformlings und stellt eine blasenfreie Injektion sicher.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als Matrixmaterial ein duroplastisches Harz bzw. Ausgangskomponenten für ein solches Harz verwendet.
Im folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung eines RTM-Werkzeugs während verschiedener Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zur Herstellung eines Faserverbundbauteils nach dem Resin Transfer Molding Verfahren wird zunächst ein Faservorformling 10 in eine Kavität 12 eines RTM-Werkzeugs 14 eingelegt. Die Werkzeughälften 16, 18 des RTM-Werkzeugs 14 werden in der Folge verschlossen, woraufhin die Kavität 12 evakuiert wird, um eine Infiltration des Faservorformlings 10 mit Matrixmaterial zu erleichtern. Nach der Evakuierung der Kavität 12 erfolgt eine Injektion von Matrixmaterial, meist einem Ein- oder Zweikomponentenharz zur Ausbildung einer duroplastischen Matrix durch eine Injektionsvorrichtung 20. Derartige duroplastische Harze sind chemisch reaktiv und bilden die endgültige Matrix des Faserverbundbauteils durch Quervernetzung.
Während der Injektion wird über eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung 22 die Temperatur des RTM-Werkzeugs bzw. der inneren Oberflächen der Kavität 12 so eingestellt, dass noch keine Vernetzungsreaktion des Matrixmaterials stattfindet. Erst nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials, das heißt vollständiger Befüllung der Kavität 12, wird mittels der Heiz- bzw. Kühlvorrichtung 22 die Temperatur der inneren Oberflächen der Kavität 12 des RTM-Werkzeugs 14 erhöht, bis die Vernetzungsreaktion des initiierten Matrixmaterials beginnt.
Diese zweitstufige Temperaturführung während des RTM-Prozesses ermöglicht eine wesentlich bessere Kontrolle der Injektion und der Aushärtungsreaktion des Matrixmaterials. Insbesondere ist es möglich, nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials die Temperatur der Kavität 12 deutlich über die bislang üblichen Prozesstemperaturen bei isothermen RTM-Prozessen zu erhöhen, um so eine besonders schnelle Quervernetzung und Aushärtung des Matrixmaterials zu erzielen.
Nach vollständiger Aushärtung des Matrixmaterials wird über die Heiz- bzw. Kühlvorrichtung 22 die Temperatur der Kavität 12 des RTM-Werkzeugs 14 wieder unter die Schwellentemperatur für die Quervernetzungsreaktion abgesenkt, die Werkzeughälften 16, 18 werden geöffnet und das fertige Faserverbundbauteil 24 kann entformt werden.
Die Regelung bzw. Steuerung des Aushärtungsprozess bzw. dessen aktive Temperaturführung kann mit Hilfe eines Sensors 30 erfolgen, der in der inneren Oberfläche der Kavität 12 des RTM-Werkzeugs 14 angeordnet ist und mit dem in die Kavität 12 injizierten Harz bzw. dem polymerisierenden Thermoplast-Vorprodukt in Kontakt steht. Der Sensor 30 sendet ein dielektrisches Signal aus, das ein direktes Maß für den Grad der Vernetzung bzw. Polymerisation ist und als Steuergröße für den Aushärtungsprozess verwendet werden kann. Der Vorteil der Steuerung bzw. Regelung des Aushärtungsprozesses mit Hilfe eines solchen dielektrischen Signals besteht in darin, dass dieses Signal unabhängig von Temperaturschwankungen, Reaktivitätsschwankungen der Harze etc. ist, so dass ein robusterer Prozess und eine höhere Qualität erreicht werden kann.
Das Beheizen bzw. Kühlen durch die Heiz- bzw. Kühleinrichtung 22 kann beispielsweise durch Heißdampf, Wasser, Öl, induktiv, durch Anwendung von Peltierelementen oder dergleichen erfolgen. Insgesamt wird durch die während des ganzen Verfahrens kontrollierte Temperaturführung eine besonders prozesssichere Herstellung von Faserverbundbauteilen 24 mit gleichzeitig besonders kurzen Taktzeiten erzielt.
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 102007060739 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (24), bei welchem eine Faservorform (10) in eine Formkavität (12) eines Formwerkzeugs (14) eingebracht und ein Matrixmaterial unter Infiltration der Faservorform (10) in die auf eine erste vorgegebene Temperatur beheizte Formkavität (12) injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials die Formkavität (12) auf eine zweite vorgegebene Temperatur erwärmt und das Matrixmaterial ausgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste vorgegebene Temperatur unterhalb und die zweite vorgegebene Temperatur oberhalb einer Schwellentemperatur einer Vernetzungsreaktion des Matrixmaterials liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorgegebenen Aushärtezeit die Formkavität (12) wieder auf die erste vorgegebene Temperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite vorgegebene Temperatur mehr als 80°C, insbesondere mehr als 150°C und vorzugsweise 190–200°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen der ersten und zweiten bzw. der zweiten und ersten vorgegebenen Temperatur einem jeweiligen vorgegebenen Temperaturprofil folgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelungs- und/oder Steuergröße für den Aushärtungsprozess ein Signal eines in der Oberfläche der Formkavität (12) befindlichen Sensors (30) verwendet wird, der mit dem Matrixmaterial in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelungs- und/oder Steuergröße für den Aushärtungsprozess ein dielektrisches Signal des Sensors (30) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkavität (12) vor Injizieren des Matrixmaterials evakuiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein duroplastisches Matrixmaterial verwendet wird.