DE102011015160A1 - Manufacture of fiber-reinforced plastic component for motor vehicles, involves forming composite plastic pultrusion profile using continuous reinforcing fibers and polymeric matrix material, and applying continuous metal fiber material - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserbundkunststoffbauteils und das Faserbundkunststoffbauteil selbst.The invention relates to a method for producing a fiber composite plastic component and the fiber composite plastic component itself.
Faserverbundkunststoffbauteile werden zunehmend im Karosseriebau verwendet. Ihre Vorteile liegen unter anderem in ihrem geringen Gewicht, verbunden mit hohen Festigkeitswerten. Nachteilig allerdings ist, dass Faserverbundkunststoffbauteile bei Überbelastung ein sprödes Bruchverhalten zeigen. Wenn sich bei Sprödbruch im Kraftfahrzeug Teile lösen, kann dies zu gefährlichen Situationen führen.Fiber composite plastic components are increasingly being used in body construction. Their advantages include their low weight combined with high strength values. The disadvantage, however, is that fiber composite plastic components show a brittle fracture behavior when overloaded. If parts of the motor vehicle break loose during brittle fracture, this can lead to dangerous situations.
Um Sprödbruch zu begegnen, beschreibt die
Verfahren zur Pultrusion von Faserverbundbauteilen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung eines Faserbundkunststoffbauteils zu schaffen, das ein verbessertes Sprödbruchverhalten aufweist.Starting from this prior art, it is the object of the present invention to provide a simplified method for producing a fiber composite plastic component, which has an improved brittle fracture behavior.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.
Die weitere Aufgabe der Schaffung eines hinsichtlich Sprödbruchs verbesserten Faserverbundkunststoffbauteils wird mit dem Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.The further object of providing a brittle fracture improved fiber composite plastic component is achieved with the article having the features of claim 8. Further developments are set forth in the subclaims.
Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffbauteils, das zumindest ein Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil und einen Metallfaserwerkstoff umfasst. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Pultrudierens eines Faserverbundkunststoffprofils aus kontinuierlichen Verstärkungsfasern mit einem polymeren Matrixmaterial. Anschließend wird umfänglich der Metallfaserwerkstoff, der ein kontinuierlicher Metallfaserwerkstoff ist, um das pultrudierte Faserverbundkunststoffprofil aufgebracht oder angeordnet.A first embodiment relates to a method of producing a fiber composite plastic component comprising at least one fiber composite plastic pultrusion profile and a metal fiber material. The method comprises a step of pultruding a fiber composite plastic profile of continuous reinforcing fibers with a polymeric matrix material. Subsequently, the metal fiber material, which is a continuous metal fiber material, is circumferentially applied or disposed around the pultruded fiber composite plastic profile.
Mit dem Begriff ”kontinuierlich” werden in der vorliegenden Erfindung Verstärkungsfasern und Metallfaserwerkstoff bezeichnet, die im Wesentlichen fortlaufende Filamente aufweisen.The term "continuous" in the present invention refers to reinforcing fibers and metal fiber material which have substantially continuous filaments.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch das umfängliche Aufbringen des Metallfaserwerkstoffs auf das pultrudierte Faserverbundkunststoffprofil wirkungsvoll verhindert wird, dass sich bei einer Beschädigung des Faserverbundkunststoffbauteils, beispielsweise durch Sprödbruch, Bruchstücke lösen.The inventive method has the advantage that it is effectively prevented by the circumferential application of the metal fiber material to the pultruded fiber composite plastic profile that dissolve in case of damage to the fiber composite plastic component, for example by brittle fracture, fragments.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Zwischenlage, insbesondere aus einem Glasfaserwerkstoff, zwischen dem Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil und dem Metallfaserwerkstoff aufgebracht. Diese Zwischenlage verbessert insbesondere die Korrosionseigenschaften des Faserverbundkunststoffbauteils.In a preferred embodiment, an intermediate layer, in particular of a glass fiber material, is applied between the fiber composite plastic pultrusion profile and the metal fiber material. This intermediate layer improves in particular the corrosion properties of the fiber composite plastic component.
Für den Fall, dass die Haftung des Metallfaserwerkstoffs auf dem Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil nicht ausreichend ist, kann vorteilhafter Weise der Schritt des Imprägnierens des Metallfaserwerkstoffs vor dem Aufbringen auf das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil mit einem Haftvermittler erfolgen. Dabei kann der Haftvermittler ein Polymer-Matrixmaterial oder ein anderes Adhäsiv sein; vorteilhaft handelt es sich sogar um dasselbe Material wie es für das Pultrudat verwendet wurde.In the event that the adhesion of the metal fiber material to the fiber composite plastic pultrusion profile is insufficient, the step of impregnating the metal fiber material prior to application to the fiber composite plastic pultrusion profile may advantageously be effected with a coupling agent. In this case, the adhesion promoter may be a polymer matrix material or another adhesive; Advantageously, it is even the same material as used for the pultrudate.
Das umfängliche Aufbringen des Metallfaserwerkstoffs auf das pultrudierte Faserverbundkunststoffprofil kann dann „nass in nass” erfolgen, wobei der Haftvermittler in noch feuchtem Zustand ist und das polymere Matrixmaterial des Pultrudats noch nicht ausgehärtet vorliegt, es kann aber auch „nass auf trocken” erfolgen, wobei der Haftvermittler in noch feuchtem Zustand vorliegt und das polymere Matrixmaterial des Pultrudats bereits ausgehärtet ist. Schließlich kann für eine verbesserte Haftung auch „trocken in nass” vorgegangen werden, wobei der Metallfaserwerkstoff ohne Haftvermittler auf das Pultrudat aufgebracht wird, dessen polymeres Matrixmaterial noch nicht ausgehärtet vorliegt.The extensive application of the metal fiber material to the pultruded fiber composite plastic profile can then be done "wet on wet", wherein the coupling agent is still wet and the polymeric matrix material of the pultrudate is not yet cured, but it can also be done "wet on dry", the Adhesion promoter is still in a wet state and the polymeric matrix material of the pultrudate is already cured. Finally, "dry in wet" can also be used for improved adhesion, the metal fiber material without adhesion promoter being applied to the pultrudate whose polymer matrix material has not yet cured.
Durch den abschließenden Schritt des aushärten Lassens wird der Metallfaserwerkstoff fest mit dem Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil verbunden. By the final step of curing, the metal fiber material is firmly bonded to the fiber composite pultrusion profile.
Der Metallfaserwerkstoff kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere als Draht, Roving, Matte, Geflecht, Gewebe, Gewirke, Gestricke oder Vlies durch Wickeln auf das zumindest teilweise ausgehärtete Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil aufgebracht werden. Das Aufwickeln des Metallfaserwerkstoffs stellt einen verfahrenstechnisch einfachen Schritt dar, der aber zu einer wirkungsvollen Verstärkung des Faserverbundkunststoffbauteils führt.The metal fiber material can be applied in the method according to the invention in particular as a wire, roving, mat, mesh, woven, knitted or crocheted or nonwoven by winding on the at least partially cured fiber composite plastic Pultrusionsprofil. The winding of the metal fiber material is a procedurally simple step, but which leads to an effective reinforcement of the fiber composite plastic component.
Alternativ dazu kann der Metallfaserwerkstoff eine Matte oder ein als Schlauch ausgebildetes Geflecht, Gewebe, Gewirke, Gestricke oder Vlies sein und auf das zumindest teilweise ausgehärtete Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil aufgezogen werden. In diesem alternativen Verfahrensschritt wird der Metallfaserwerkstoff wie ein Strumpf auf das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil aufgezogen. Auch dieser Schritt ist verfahrenstechnisch einerseits einfach umzusetzen, andererseits zur Verstärkung des herzustellenden Faserverbundkunststoffbauteils ebenso effektiv.Alternatively, the metal fiber material may be a mat or a mesh, woven, knitted, knitted or nonwoven fabric formed as a tube and may be applied to the at least partially cured fiber composite plastic pultrusion profile. In this alternative process step, the metal fiber material is applied to the fiber composite plastic pultrusion profile like a stocking. On the one hand, this step is also technically easy to implement, and on the other hand is equally effective for reinforcing the fiber composite plastic component to be produced.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Metallfaserwerkstoff aus Stahlfasern. Stahlfasern weisen einerseits eine ausreichende mechanische Stabilität auf, um ein Lösen von durch Sprödbruch hervorgerufenen Bruchstücken des Faserverbundkunststoffprofils zu verhindern, andererseits sind die Stahlfasern ausreichend korrosionsbeständig.In a particularly preferred embodiment, the metal fiber material consists of steel fibers. On the one hand, steel fibers have sufficient mechanical stability to prevent the dissolution of brittle fractions of the fiber composite plastic profile, on the other hand, the steel fibers are sufficiently resistant to corrosion.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Faserverbundkunststoffbauteil, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar ist. Es umfasst zumindest ein Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil und einen Metallfaserwerkstoff. Dabei weist das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil zumindest kontinuierliche Verstärkungsfasern und gehärtetes polymeres Matrixmaterial auf. Ferner ist der Metallfaserwerkstoff kontinuierlich und um den Umfang des Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofils herum aufgebracht, ohne dass dieser zwingend vollflächig bedeckt sein muss; es können durch Wicklungen etwa nur Teilumfangsflächen bedeckt sein.Another aspect of the invention relates to a fiber composite plastic component which can be produced by the method according to the invention. It comprises at least one fiber composite plastic pultrusion profile and a metal fiber material. In this case, the fiber composite plastic Pultrusionsprofil at least continuous reinforcing fibers and cured polymeric matrix material. Furthermore, the metal fiber material is applied continuously and around the circumference of the fiber composite plastic Pultrusionsprofils around, without having to be necessarily covered over the entire surface; it can be covered by windings about only partial peripheral surfaces.
Dem Faserverbundkunststoffbauteil wird bereits durch den kontinuierlichen Verstärkungsfaseranteil gute mechanische Eigenschaften verliehen. Durch das zusätzliche Aufbringen eines Metallfaserwerkstoffs auf das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil wird verhindert, dass sich Bruchstücke aus dem Bauteil lösen, wenn es durch Beschädigungen zu Sprödbruch oder dergleichen kommt.The fiber composite plastic component is already given by the continuous reinforcing fiber content good mechanical properties. The additional application of a metal fiber material to the fiber composite plastic Pultrusionsprofil prevents fragments from dissolving out of the component, if it comes to damage by brittle fracture or the like.
Es hat sich für die Korrosionseigenschaften des Faserverbundkunststoffbauteils als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen dem Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil und dem Metallfaserwerkstoff eine Zwischenlage, bevorzugt aus einem Glasfaserwerkstoff, vorliegt.It has proven advantageous for the corrosion properties of the fiber composite plastic component if an intermediate layer, preferably of a glass fiber material, is present between the fiber composite plastic pultrusion profile and the metal fiber material.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitende Figur dargelegt. Dabei dient der Bezug auf die Figur in der Beschreibung lediglich der Unterstützung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Ferner ist die Figur lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Herstellung eines Faserverbundkunststoffbauteils, welches zumindest ein Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil und einen Metallfaserwerkstoff umfasst. In einem ersten Schritt wird ein Faserverbundkunststoffprofil aus kontinuierlichen Verstärkungsfasern mit einem polymeren Matrixmaterial gemäß einem herkömmlichen Verfahren pultrudiert. Das Fertigen eines Faserverbundkunstoffpultrudats ist dem Fachmann an sich bekannt. Dabei werden die kontinuierlichen Verstärkungsfasern, also durchgängige Fasern, keine Kurzfasern, zunächst durch ein Bad aus polymerem Matrixmaterial gezogen, dann wird überschüssiges Matrixmaterial abgestreift und abschließend wird das Matrixmaterial in einer Pultrusionsvorrichtung zumindest teilweise ausgehärtet, um ein Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil zu bilden.The method according to the invention relates to the production of a fiber composite plastic component which comprises at least one fiber composite plastic pultrusion profile and a metal fiber material. In a first step, a fiber composite plastic profile of continuous reinforcing fibers is pultruded with a polymeric matrix material according to a conventional method. The manufacture of a Faserverbundkunstoffpultrudats is known in the art. The continuous reinforcing fibers, ie continuous fibers, not short fibers, are first drawn through a bath of polymeric matrix material, then excess matrix material is stripped and finally the matrix material is at least partially cured in a pultrusion device to form a fiber composite plastic pultrusion profile.
Gemäß der Erfindung wird nun ein Metallfaserwerkstoff auf das pultrudierte Faserverbundkunststoffprofil umfänglich aufgebracht (Variante A in
Um die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils zu verbessern, wird vorzugsweise ein Glasfaserwerkstoff als Matte oder Vlies auf das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil aufgebracht (Variante B in
Für den Fall, dass das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil, beispielsweise aus verfahrenstechnischen Gründen, schon zu einem sehr hohen Grad oder vollständig ausgehärtet ist, wird der Metallfaserwerkstoff vor dem Aufbringen auf das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil mit einem Haftvermittler imprägniert (Variante C in
Der Metallfaserwerkstoff wird beispielsweise als Draht, Roving, Matte, Geflecht, Gewebe, Gewirke, Gestricke oder Vlies auf das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil gewickelt. Dabei ist es zweckmäßig, eine Wickelvorrichtung im Verfahrensablauf hinter der Pultrusionsvorrichtung vorzusehen, so dass der Metallfaserwerkstoff auf das noch nicht vollständig ausgehärtete Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil gewickelt wird und zumindest teilweise in den polymeren Matrixwerkstoff einbettet.The metal fiber material is wound, for example, as a wire, roving, mat, mesh, woven, knitted, knitted or nonwoven fabric onto the fiber composite plastic pultrusion profile. It is expedient to provide a winding device in the process flow behind the pultrusion, so that the metal fiber material is wound on the not yet fully cured fiber composite plastic Pultrusionsprofil and at least partially embeds in the polymeric matrix material.
In einer zweiten Alternativen wird der Metallfaserwerkstoff als Schlauch bereitgestellt und wie ein Strumpf über das Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofil gezogen, der dann schon ausgehärtet vorliegen kann, aber nicht muss. Auch in diesem Fall kann sich der Metallfaserwerkstoff in Form einer Matte oder eines schlauchförmigen Geflechts, Gewebes, Gewirkes, Gestrickes oder Vlieses in die Oberfläche des noch nicht ausgehärteten Faserverbundkunststoff-Pultrusionsprofils einbetten.In a second alternative, the metal fiber material is provided as a hose and drawn like a stocking over the fiber composite plastic Pultrusionsprofil, which may already be cured, but need not. Also in this case, the metal fiber material in the form of a mat or a tubular braid, fabric, knitted fabric, knitted fabric or fleece can embed in the surface of the not yet cured fiber composite pultrusion profile.
Obwohl verschiedene Metalle für den Metallfaserwerkstoff in Frage kommen, sind Stahlfasern aus Gründen der mechanischen Festigkeit und der Korrosionsbeständigkeit bevorzugt.Although various metals are suitable for the metal fiber material, steel fibers are preferred for reasons of mechanical strength and corrosion resistance.
Für den polymeren Matrixwerkstoff können bekannte und kommerziell erhältliche Polymere abhängig von ihrem konkreten Einsatzzweck verwendet werden. Dies können Thermoplasten sein, insbesondere auf der Basis von Polyamiden oder Polyolefinen. Alternativ dazu können Duromere, oder Harze eingesetzt werden. Besonders geeignet sind Polyester, Epoxidharze, Vinylester oder Phenolharze. Als kontinuierliche Verstärkungsfasern finden beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Polymerfasern, Keramikfasern, Metallfasern oder Hybridfasern Anwendung.For the polymeric matrix material known and commercially available polymers can be used depending on their specific application. These may be thermoplastics, in particular based on polyamides or polyolefins. Alternatively, duromers, or resins can be used. Particularly suitable are polyesters, epoxy resins, vinyl esters or phenolic resins. As continuous reinforcing fibers, for example, glass fibers, carbon fibers, polymer fibers, ceramic fibers, metal fibers or hybrid fibers are used.
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