DE102010047406A1

DE102010047406A1 - Faser-Matrix-Halbzeug und Herstellungsverfahren sowie Herstellungsverfahren für ein Faser-Kunststoffverbundbauteil

Info

Publication number: DE102010047406A1
Application number: DE102010047406A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Ilzhöfer Karl-Heinz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-10-02
Filing date: 2010-10-02
Publication date: 2012-04-05

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Faser-Matrix-Halbzeug (1) und ein zu dessen Fertigung geeignetes Herstellungsverfahren bereit, wobei das Faser-Matrix-Halbzeug (1) zwischen zwei Trägerfolienlagen (2) eine Schicht (3) aus Verstärkungsfasern (3a) und aus einem aushärtbaren Kunststoffmatrixsystem (3b) aufweist. Das Faser-Matrix-Halbzeug (1) umfasst zumindest eine erste und eine zweite Trennmittelschicht (4), die jeweils zwischen den Trägerfolienlagen (2) und der Schicht (3) aus dem Verstärkungsfaser-Matrixsystem angeordnet sind. Ferner wird ein Herstellungsverfahren für ein Faser-Kunststoffverbundbauteil aus dem Faser-Matrix-Halbzeug (1) bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faser-Matrix-Halbzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoffverbundbauteils aus dem Faser-Matrix-Halbzeug.
Üblicherweise wird einem Faser-Matrix-Halbzeug wie einem sogenannten Sheet Molding Compound bei dessen Fertigung ein Trennmittel zugesetzt, das bei dem üblichen nachfolgenden Pressprozess in einem heißem Presswerkzeug an die Oberfläche des Halbzeugs gelangt und dadurch verhindert, dass der Kunststoff an den Werkzeugoberflächen der Presse anhaftet. Diese internen Trennmittel wurden dabei bislang mit etwa 2 Gew.-% der Faser-Matrix-Paste zugegeben. Neuere Aufbereitungstechniken zur Herstellung der Halbzeugpaste erfordern allerdings wesentlich höhere Trennmittelanteile, die bei bis zu 6 Gew.-% liegen können. Dies führt zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften sowie zu einem schlechteren Eigengeruch der aus dem Faser-Matrix-Halbzeug hergestellten Bauteile, der durch Verunreinigungen im Trennmittel hervorgerufen wird.
Aus der DE 196 17 392 C1 ist eine Vorrichtung zum Aufbringen von Trennmittel auf Span- oder Faservliesformlingen bekannt, die unter Verwendung einer Warmpresse mit einem Oberholm und einem Unterholm zu Span- und Faserplatten oder Formteilen verarbeitet werden können. Diese Vorrichtung umfasst ein flexibles Gewebeband, das mit einem Trennmittel beschichtet wird, und das beim Pressen des Vliesformlings die Pressfläche des Oberholms beziehungsweise des Unterholms ganzflächig überdeckt. Die Vorrichtung soll insbesondere das Verkleben der Vliesformlinge mit den Holmen der Warmpresse bei Verwendung von Polyisocyanat-Bindemitteln verhindern. Hierbei wird dem Halbzeug, respektive dem Vliesformling, unmittelbar vor der Verarbeitung in der Warmpresse das Trennmittel mittels des beschichteten flexiblen Gewebebands zugeführt, das während des Pressvorgangs mit verpresst wird und erst danach wieder entfernt wird.
Ein solches Vorgehen kommt für Faser-Matrix-Halbzeuge wie SMC-Halbzeuge, die zur Herstellung von Faserverbundbauteilen mit hoher Oberflächenqualität verwendet werden, nicht in Frage, da ein Mitverpressen von irgendwelchen Trägerfolien, Bändern oder Geweben die Realisierung einer gewünschten, qualitativ besonders hochwertigen Class-A-Oberfläche nicht zulassen würde.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, ein Faser-Matrix-Halbzeug bereitzustellen, das zur einfachen Weiterverarbeitung zu einem Faserverbundbauteil in einer Warm- oder Heißpresse ein Trennmittel aufweist, das ein Anhaften dort verhindert, und weder zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des aus dem Halbzeug zu fertigenden Bauteils noch zu vermehrten Geruchsemissionen führt.
Diese Aufgabe wird durch ein Faser-Matrix-Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe der Herstellung eines solchen Faser-Matrix-Halbzeugs wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Eine weitere Aufgabe liegt in der Herstellung eines Faser-Kunststoffverbundbauteils mit einer Class-A-Oberfläche, das sich anhaftungsfrei aus dem Presswerkzeug entformen lässt; dies wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform des Faser-Matrix-Halbzeugs, weist eine Schicht aus Verstärkungsfasern und einem aushärtbaren Kunststoffmatrixsystem mit mindestens einer darauf angeordneten Trägerfolienlage auf. Die Trennmittelschicht oder trennmittelreiche Schicht ist insbesondere dann nur einseitig aufgetragen, wenn mindestens 2 Zuschnitte aufeinander gestapelt werden. Die trennmittelfreien Oberflächen zeigen entsprechend zum benachbarten Zuschnitt und die beiden trennmittelreichen Schichten nach außen. Im Falle, dass 3 oder mehr Zuschnitte verwendet werden, kann für die mittleren Schichten auch ein gänzlich trennmittelfreies Halbzeug verwendet werden.
Eine erste Ausführungsform des Faser-Matrix-Halbzeugs, das eine Schicht aus Verstärkungsfasern und einem aushärtbaren Kunststoffmatrixsystem zwischen zwei Trägerfolienlagen aufweist, bezieht sich darauf, dass jeweils zwischen den Trägerfolienlagen und der Schicht aus dem Verstärkungsfaser-Matrixsystem Trennschichten angeordnet oder aufgetragen sind. So lässt sich vorteilhaft erreichen, dass keine unerwünschte Trennmittelmenge in dem Verstärkungsfaser-Matrixsystem enthalten ist, die die Halbzeugeigenschaften negativ beeinflussen würde. Ferner ist sicher gestellt, dass das Trennmittel sich direkt an der Oberfläche der Schicht aus dem Verstärkungsfaser-Matrixsystem befindet und daher bei der Verarbeitung zum Bauteil in der Presse an der gewünschten Stelle vorliegt.
Diese Trennmittelschichten können durch eine Metallseife wie ein Zink- oder Kalziumstearat gebildet werden, es ist hierbei jedoch auch der Einsatz alternativer Trennmittel möglich.
Die Trennmittelschicht nicht zwingend vollständig aus Trennmittel bestehen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine trennmittelreiche Schicht eingesetzt. Dies umfasst bevorzugt eine Mischung aus Trennmittel und Matrixsystem. So kann beispielsweise eine trennmittelreiche Paste hergestellt und aufgebracht werden, die mit der eigentlichen für den Faserverbund gedachten Paste, bzw. Matrixsystem verträglich ist und eine entsprechende Haftung zu dieser aufbaut. Hierdurch können evtl. Materialmengen besser dosiert werden oder der Beschichtungsprozess ist genauer darstellbar. Als Nebeneffekt erhält das Bauteil eine matrixreichere Oberfläche mit höherer Oberflächenqualität.
Bei dem Faser-Matrix-Halbzeug kann es sich insbesondere um ein SMC-Halbzeug (Sheet Molding Compound) handeln.
Die erfindungsgemäß zwischen Trägerfolienlage und Verstärkungsfaser-Matrixsystem-Schicht angeordnete Trennmittelschicht haftet dabei stärker an der Faser-Matrix-Schicht als an der Trägerfolienlage, so dass sich die Trägerfolienlage vorteilhaft von der Trennmittelschicht lösen lässt, die auf der Oberfläche der Faser-Matrix-Schicht verbleibt. Dadurch, dass das Trennmittel somit als Beschichtung auf der Faser-Matrix-Schicht vorliegt, kann auf ein internes Trennmittel mit hohen Gewichtsanteilen verzichtet werden, und die aus dem Faser-Matrix-Halbzeug gefertigte Faserverbundbauteile behalten ihre optimalen mechanischen Eigenschaften und werden geruchlich nicht beeinträchtigt; ferner lässt sich die gewünschte Class-A-Oberfläche realisieren.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher zunächst die Trennmittelschicht auf die Trägerfolienlagen aufgetragen, ehe die Schicht aus Verstärkungsfasern und dem aushärtbaren Kunststoffmatrixsystem zwischen die Trägerfolienlagen eingebracht wird. Die Trennmittelschichten weisen dabei zu der Faser-Matrix-Schicht, die nunmehr beidseitig Trennmittelschichten aufweist und somit für die Verarbeitung in der Presse vorbereitet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Faser-Kunststoff-Verbundbauteils aus dem erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeug umfasst daher zunächst das Fertigen eines Bauteilzuschnitts aus dem Faser-Matrix-Halbzeug, von dem die Trägerfolienlagen leicht abgezogen werden können, wobei an der Oberfläche des Zuschnitts die Trennmittelschichten verbleiben. Dann wird der Zuschnitt in einem Presswerkzeug angeordnet und die Trennmittelschichten kommen an den Oberflächen des Presswerkzeugs zur Anlage. In dem Presswerkzeug erfolgt ein Warm- oder Heißpressen des Zuschnitts, wobei das Matrixsystem unter Bildung des Faser-Kunststoffverbundbauteils aushärtet. Das fertige Faser-Kunststoffverbundbauteil kann dann aufgrund der Trennmittelschichten anhaftungsfrei aus dem Presswerkzeug entformt werden.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer Anlage zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeugs,
2 eine schematische Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeugs.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Faser-Matrix-Halbzeug 1, wie es in 2 dargestellt ist.
Im Halbzeugprozess zur Herstellung von SMC-Materialien werden generell Trägerfolienlagen 2 verwendet, die zur Verpackung und zum Transport des SMC-Materials 3, das aus Verstärkungsfasern und aushärtbarem Kunststoff-Matrixsystem besteht, dienen.
Erfindungsgemäß wird nun schon bei der Herstellung des Faser-Matrix-Halbzeugs zwischen die Trägerfolienlagen 2 und die Faser-Matrix-Schicht 3 jeweils eine Trennmittelschicht 4 aufgetragen, die also beim fertigen Faser-Matrix-Halbzeug eine trennmittelreiche Außenschicht darstellt. Somit liegt das Trennmittel 4 bereits dort vor, wo es gebraucht wird, nämlich an der Grenzfläche zum Presswerkzeug.
Die Trennmittelbeschichtung 4 ist erfindungsgemäß Teil des Faser-Matrix-Halbzeugs 1 und durchläuft daher die gesamte Prozesskette eines Halbzeugs, die aus Warmlagerung, Reifelagerung, Transport bis hin zur Verarbeitung besteht.
Vor der Pressverarbeitung im Transportwerkzeug werden die Trägerfolienlagen 2, wie in 2 auf der rechten Seite angedeutet, abgezogen, wobei die Trennmittelschichten 4 nicht an den Trägerfolienlagen 2 haften, sondern auf der Faser-Matrix-Schicht 3 verbleiben.
Bei der Trennmittelschicht 4 kann es sich um eine Metallseife wie etwa ein Zink-Kalziumstearat handeln, es können aber auch andere alternative Trennmittel verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeug 1 handelt es sich insbesondere um ein SMC-Halbzeug. Sheet Molding Compounds bezeichnen Pressmassen aus im Allgemeinen duroplastischen Reaktionsharzen als Matrixsystemen und Verstärkungsfasern, beispielsweise Glasfasern. In der Faser-Matrix-Schicht 3 liegen alle Komponenten vermischt vor. Als aushärtbare Kunststoffmatrixsysteme können Polyester-Vinylesterharze oder andere Systeme verwendet werden. Die Verstärkungsfasern können in Mattenform vorliegen, typische Faserlängen liegen zwischen 25 und 50 mm. Um eine lackierbare Oberfläche des aus dem Halbzeug gefertigten Verbundbauteils zu erhalten (Class-A-Qualität) muss das SMC-System einen Schrumpf von unter 0,05% haben.
Neben dem vernetzungsfähigen Matrixmaterial und den Verstärkungsfasern kann die SMC-Masse weiterhin mineralische Füllstoffe, Additive zur Verringerung des Schrumpf, Inhibitoren und weitere Zuschläge enthalten.
Um das erfindungsgemäße Faser-Matrix-Halbzeug 1 herzustellen, kann die Trennmittelschicht 4 auf die Trägerfolienlagen 2 appliziert werden, und die Schicht 3 aus Verstärkungsfasern 3a und aushärtbarem Kunststoffmatrixsystem 3b dazwischen angeordnet werden, wie dies in 1 gezeigt ist. Dort ist eine Anlage zur kontinuierlichen Herstellung des SMC-Halbzeugs 1 gezeigt. Die zugeführten Trägerfolienlagen 2 werden zunächst mit dem Trennmittel 4 beschichtet. Auf diese Trennmittelschicht 4 erfolgt die Aufgabe der Harzpaste 3b. Anschließend werden auf eine mit Trennmittel beschichteten und mit Harzpaste berakelten Trägerfolie 2 Verstärkungsfasern zugeführt, in 1 über ein Schneidwerk 5.
Danach erfolgt das Zusammenführen der beiden Folienlagen 2, so dass die Harzpasten 3b die Verstärkungsfasern 3a durchtränken, während die Trennmittelschicht 4 die so entstehende Faser-Matrix-Schicht 3 von den Folienlagen 2 trennt. Nach Durchlaufen einer Walkzone 6, in der die Fasern 3a vollständig durch die Harzpaste 3b imprägniert werden, wird das Halbzeug 1 aufgerollt, und kann dann in ein Reiselager überführt werden, wo ein kontrolliertes Eindicken stattfindet, bevor es dem Pressprozess zugeführt wird.
Anstelle der dargestellten geschnittenen Verstärkungsfasern 3a ist es auch denkbar, Fasermatten zu verwenden.
Das so geschaffene Halbzeug hat durch den Verzicht auf bzw. Verringerung der internen Trennmittel einen verbesserten Geruch und die mechanischen Eigenschaften der aus dem Faser-Matrix-Halbzeug geschaffenen Bauteile sind besser als SMCs, die Trennmittel im genannten Umfang enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19617392 C1 [0003]

Claims

Faser-Matrix-Halbzeug (1), das zwischen zwei Trägerfolienlagen (2) eine Schicht (3) aus Verstärkungsfasern (3a) und einem aushärtbaren Kunststoffmatrixsystem (3b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Matrix-Halbzeug (1) zumindest eine erste und eine zweite Trennmittelschicht (4) umfasst, die jeweils zwischen den Trägerfolienlagen (2) und der Schicht (3) aus dem Verstärkungsfaser-Matrixsystem angeordnet sind.
Faser-Matrix-Halbzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittelschicht (4) eine Metallseife, insbesondere Zink- oder Kalziumstearat umfasst.
Faser-Matrix-Halbzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Faser-Matrix-Halbzeug (1) ein SMC-Halbzeug ist.
Faser-Matrix-Halbzeug (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittelschicht (4) stärker an der Verstärkungsfaser-Matrixsystem-Schicht (3) als an der Trägerfolienlage (2) haftet.
Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Halbzeugs (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte – Aufbringen einer ersten und einer zweiten Trennmittelschicht (4) auf eine erste und eine zweite Trägerfolielage (2), – Anordnen der Schicht (3) aus Verstärkungsfasern (3a) und dem aushärtbaren Kunststoffmatrixsystem (3b) zwischen den ersten und zweiten Trägerfolienlagen (2), wobei die erste und die zweiten Trennmittelschicht (4) der Schicht (3) zugewandt zu liegen kommen.
Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoffverbundbauteils aus einem Faser-Matrix-Halbzeug (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte – Fertigen eines Bauteilzuschnitts aus dem Faser-Matrix-Halbzeug (1), – Entfernen der Trägerfolienlagen (2) und Anordnen des Zuschnitts in einem Presswerkzeug, wobei die Trennmittelschichten (4) auf den Oberflächen der Schicht (3) verbleiben und an den Oberflächen des Presswerkzeugs zur Anlage kommen, – Warm- oder Heißpressen des Zuschnitts in dem Presswerkzeug und – Aushärten des Matrixsystems unter Bildung des Faser-Kunststoffverbundbauteils, und – anhaftungsfrei Entformen des Faser-Kunststoffverbundbauteils aus dem Presswerkzeug.