DE102011056703A1

DE102011056703A1 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils sowie Imprägniervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102011056703A1
Application number: DE102011056703A
Authority: DE
Inventors: Stefan Konrad; Hermann Opdemom
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorimprägnieren von Fasermaterial (5) sowie eine Imprägniervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Auf das Fasermaterial (5) wird Matrixharz (8) aufgetragen, das mittels Unterdruck in das Fasermaterial (5) aktiv eingebracht wird, so dass eine homogene Verteilung des Matrixharzes (8) innerhalb des Fasermaterials (5) hergestellt wird. Insbesondere wird hierzu eine Unterdruckkammer mit einer gitterartigen Auflage (3) verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Imprägniervorrichtung für Faserverbundwerkstoff gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 16.
Für den Karosseriebau in Kraftfahrzeugen hat sich in den letzten Jahrzehnten die Herstellung der Karosseriebauteile aus metallischen Werkstoffen etabliert. Die metallischen Werkstoffe bieten ein Optimum aus leichter Umformbarkeit, hohen Formgebungsfreiheitsgraden, günstiger Produzierbarkeit und hoher Festigkeit, bei gleichzeitig geringen Fertigungstoleranzen. Insbesondere kommen höchstfeste Stähle oder aber auch Leichtmetalle zum Einsatz.
Aufgrund des Bestrebens nach konsequenter Umsetzung von Leichtbau und kontinuierlicher Verbesserung der Produktionsmethoden für die automatisierte Fertigung sind in den letzten Jahren immer mehr Faserverbundwerkstoffbauteile in den Vordergrund gerückt, die sich auch dazu eignen, in Kraftfahrzeugvolumenmodellen eingesetzt zu werden. Faserverbundwerkstoffbauteile bestehen zum einen aus einem Faserwerkstoff, der wiederum beispielsweise aus Carbonfasern, Aramidfasern, Glasfasern, Basaltfasern oder aber auch metallischen Fasern ausgebildet ist, zum anderen aus einer thermoplastischen oder duroplastischen Kusntstoffmatrix, die die Fasern umgibt. Der Faserwerkstoff liegt in Form von Geweben, Gelegen, Vliesen oder aber auch als Faserbündel vor.
Zur automatisierten Herstellung von Faserverbundbauteilen haben sich maßgeblich drei Fertigungsmethoden etabliert. Diese sind das Nasspressen, das Resin-Transfer-Moulding und das Prepreg-Verfahren.
Beim Resin-Transfer-Moulding werden Fasern in ein Werkzeug eingelegt, woraufhin das Werkzeug geschlossen wird und unter Druck Harz in das geschlossene Werkzeug injiziert wird. Die Fasern werden somit nahezu vollständig durch das mit Druck injizierte Harz umschlossen, weshalb sich eine hohe Fertigungsqualität einstellt. Bei dem Prepreg-Verfahren ist der Faserwerkstoff bereits vollständig mit Harz durchtränkt, wobei das Harz dann durch äußeres Einwirken aktiviert wird und aushärtet.
Das Nasspressen ist zwischen den zwei zuvor genannten Verfahren angesiedelt. Bei dem Nasspressen wird in einer Ausführungsvariante eine Vorimprägnierung durchgeführt. Hierzu wird der Faserwerkstoff mit Matrixharz beaufschlagt, dass dann teilweise in das Fasermaterial einsickert. Das so behandelte Fasermaterial stellt dann einen Faserverbundwerkstoff bestehend aus Faserwerkstoff und Matrixharz dar. Der Faserverbundwerkstoff wird in ein Formwerkzeug transferiert und dort in der herzustellenden Geometrie verpresst.
Nachteilig bei dem Nasspressverfahren ist es jedoch, dass das Matrixharz nicht immer vollständig homogen innerhalb des Fasermaterials verteilt wird. Sofern bereits bei dem Vorimprägnierungsvorgang eine inhomogene Matrixharzverteilung innerhalb des Faserwerkstoffs oder aber Lufteinschlüsse vorhanden sind, so wird dies durch das dem Vorimprägnierverfahren nachgeschaltete Umformverfahren nicht zwingend vollständig behoben. Somit sind bei der automatisierten Fertigung sowie Herstellung von Faserverbundwerkstoffbauteilen mittels Nasspressverfahren die Nachteile, dass die Stabilität des Formteils durch Lufteinschlüsse und inhomogene Harzverteilungen beeinflusst werden können. Bei sichtbaren Oberflächen wird durch Lufteinschlüsse und/oder eine inhomogene Harzverteilung der ästhetische Gesamteindruck des Faserverbundwerkstoffbauteils ebenfalls verschlechtert.
Im Stand der Technik ist es bekannt, die Faserwerkstoffe nach dem Auftragen des Harzes einige Zeit ruhen zu lassen, sodass das Harz durch die Erdanziehungskraft und die in dem Faserwerkstoff entstehende Kapillarkraft begünstigt in das Textil selbst einsickern kann. Dies ist jedoch mit einem hohen Zeitaufwand von mehreren Minuten, insbesondere mehr als 5 Minuten verbunden, weshalb sich diese Methode nicht für eine automatisierte Fertigung mit kurzen Taktzeiten eignet. Das Einsickern des Matrixharzes ist zudem stark abhängig von den Faserorientierungen innerhalb des Faserwerkstoffs, weshalb ein Restrisiko besteht, dass Zwischenräume nicht mit Matrixharz benetzt werden oder aber sich Lufteinschlüsse bilden.
Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit, um das Einziehen des Matrixharzes in den Faserwerkstoff zu begünstigen, ist eine Wärmebehandlung, so dass die Viskosität des Matrixharzes herabgesetzt wird. Nachteilig hieran ist, dass das Harz zunächst stark fließend wird, weshalb ein Anheben des nach dem Vorimprägnieren und Einziehen behandelten Faserverbundwerkstoffs zu einem starken Tropfen des Matrixharzes führen kann. Ebenfalls beginnt die Vernetzung bzw. Reaktion von Matrixharz und dem in dem Matrixharz vorhandenen Härter deutlich früher, weshalb eine Aushärtung schneller voranschreitet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils aufzuzeigen, bei dem ein gleichmäßiges und schnelles Vorimprägnieren des Faserwerkstoffs mit Matrixharz zur automatisierten Fertigung möglich ist.
Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der das Verfahren durchführbar ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Die zuvor genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils mit den Merkmalen im Patentanspruch 2 gelöst.
Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird mit einer Imprägniervorrichtung für Faserverbundwerkstoffe gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 16 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei ein Faserwerkstoff mit Matrixharz vorimprägniert wird und anschließend zu dem Faserverbundwerkstoffbauteil umgeformt wird ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorimprägnierung durch Beaufschlagen des mit Matrixharz versehenen Faserwerkstoffs mit einem Überdruck und/oder Unterdruck durchgeführt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich insbesondere ein Teil des Nasspressverfahrens zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils durchführen. Hiermit ist es möglich, in einer zumindest teilautomatisierten, insbesondere voll automatisierten Fertigung Bauteile aus Faserverbundwerkstoff für Kraftfahrzeuge, Flugzeuge oder sonstige Anwendungsgebiete herzustellen. Dabei wird ein Faserwerkstoff, insbesondere ein flächiger Faserwerkstoff, der beispielsweise ein Gewebe, Gelege, Gestricke oder Ähnliches sein kann, ganz besonders bevorzugt ein Vlies, insbesondere ein Vlies, dass aus Faserresten besteht, mit Matrixharz vorimprägniert. Der mit Matrixharz vorimprägnierte Faserwerkstoff wird anschließend in einer Vorrichtung mit Überdruck und/oder Unterdruck derart behandelt, dass das Matrixharz ergänzend zu dem Einziehen aufgrund der Erdanziehungskraft sowie der Kapillarkraft durch den Sogeffekt des Überdrucks und/oder Unterdrucks in das Innere des Faserwerkstoffs verbracht wird, so dass sich eine homogene Matrixverteilung innerhalb des Faserwerkstoffs einstellt. Im Falle der Behandlung mit Unterdruck wird das Matrixharz in den Faserwerkstoff eingesogen. Bei der Behandlung mit Überdruck wird das Matrixharz in den Faserwerkstoff eingeblasen bzw. eingedrückt. Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, auf einer Seite des Faserwerkstoffes einen Überdruck anzulegen und auf der gegenüberliegenden Seite einen Unterdruck anzulegen. Es erfolgt dann eine kombinierte gleichzeitige Behandlung mit Überdruck und Unterdruck zum Vorimprägnieren des Faserwerkstoffes mit Matrixharz. Bevorzugt wird bei einem im Wesentlichen horizontal ausgerichteten Faserwerkstoff in Richtung der Erdanziehung, also in vertikaler Richtung, ein Überdruck angelegt und entgegen der Richtung der Erdanziehung ein Unterdruck.
Insbesondere bei Vliesen aus Faserresten kann somit sichergestellt werden, dass die kurzen Faserstücke, die durcheinander liegen, als sogenannte Wirrfaser, wobei sich in der Wirrfaser unregelmäßige Kanäle und Räume einstellen, vollständig mit Matrixharz aufgefüllt bzw. benetzt und durchdrungen werden. Der mit Matrixharz versehene Faserwerkstoff bildet somit einen Faserverbundwerkstoff, der dann in einem Folgeverarbeitungsschritt durch Umformen zu dem Faserverbundwerkstoffbauteil weiter verarbeitet wird.
Weiterer Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

– Bereitstellen eines Fasermaterials,
– Auflegen des Fasermaterials auf eine Imprägniervorrichtung,
– Aufbringen von Matrixharz auf das Fasermaterial,
– Anlegen eines Unterdruckes und/oder Überdruckes an das mit Matrixharz beaufschlagte Fasermaterial,
– Vorimprägnieren des Fasermaterials durch Einziehen des Matrixharzes in das Fasermaterial,
– Umformen des vorimprägnierten Faserverbundmaterials zu einem Faserverbundwerkstoffbauteil.

Hierbei wird insbesondere das Vorimprägnieren unterstützt durch den Unterdruck und/oder Überdruck, sodass das Matrixharz in das Fasermaterial einziehen bzw. eindringen kann. Hierdurch wird eine besonders homogene und gleichmäßige Verteilung des Matrixharzes innerhalb des Fasermaterials sichergestellt. Das Matrixharz kann dabei im Falle eines Unterdrucks durch den Sogeffekt in das Fasermaterial bzw. den Faserwerkstoff einziehen. Der Faserwerkstoff selbst ist luftdurchlässig, sodass sich der Sogeffekt auf dem ganzen Fasermaterial verteilt und zum einen aktiv aufgrund des Unterdrucks eingezogen wird, zum anderen aufgrund der Erdanziehungskraft und der Kapillarkraft passiv in dem Fasermaterial bzw. Faserwerkstoff verteilt.
Im Falle des Beaufschlagens des Fasermaterials mit einem Überdruck, wird das Matrixharz aufgrund des Überdrucks in das Fasermaterial bzw. den Faserwerkstoff eingedrückt. Auch hier ist das Fasermaterial bzw. der Faserwerkstoff luftdurchlässig, sodass durch den Überdruck eine Luftströmung durch das Fasermaterial entsteht, die das Matrixharz mit in das Fasermaterial einzieht bzw. in das Fasermaterial hineindrückt.
Besonders bevorzugt wird das Matrixharz auf eine Oberseite des auf der Imprägniervorrichtung abgelegten Fasermaterials aufgetragen. Insbesondere wird das Auftragen bzw. Aufbringen des Matrixharzes auf die Oberseite des Fasermaterials durch eine Sprühvorrichtung, oder aber mittels eines Rakels realisiert. Das Fasermaterial, das aus Faserwerkstoff besteht, ist in dieser Ausführungsvariante insbesondere als flächiges Fasermaterial zu verstehen, also als Faserbahn bzw. flächiges Faserstück. Der Auftrag des Matrixharzes kann dabei, wie bereits zuvor beschrieben, direkt auf der Imprägniervorrichtung erfolgen, er kann jedoch auch separat an einer Auftragestation erfolgen.
Bevorzugt wird das Auftragen auf der Imprägniervorrichtung derart durchgeführt, dass ein Randbereich des Fasermaterials gerade nicht mit Matrixharz benetzt wird, so dass eine starke Verschmutzung der Imprägniervorrichtung vermieden wird. Aufgrund der aktiven und passiven Verteilung des Matrixharzes auf der Imprägniervorrichtung ist jedoch auch sichergestellt, dass das Matrixharz in die Randbereiche vordringt. Ebenfalls ist ein Aufstreichen oder aber ein sonstiges Aufbringen von Matrixharz auf das Fasermaterial beispielsweise durch Bestreuen oder Bestreichen im Rahmen der Erfindung möglich.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, mehrere Lagen Fasermaterial, zumindest bereichsweise übereinander auf der Imprägniervorrichtung abzulegen. Gerade durch das erfindungsgemäße unterstützte aktive Einbringen des Matrixharzes mit einem Unterdruck und/oder Überdruck in das Fasermaterial können somit zwei, drei, vier oder auch mehrlagige Fasermaterialien produktionssicher homogen mit Matrixharz versehen werden. Hierbei können dann auf ein großes flächiges Fasermaterial kleinere Verstärkungspatches aufgebracht werden oder aber eine gleichgroße Fasermaterialbahn bzw. mehrere Bahnen. Im Rahmen der Erfindung ist es daher möglich, aus Faserresten bestehende Faservliese mit unidirektionalen Faserlagen, beispielsweise Gelegen oder Geweben, zumindest bereichsweise oder aber vollständig zu bedecken und somit beispielsweise ein Bauteil mit Verstärkungspatches oder aber ein Sandwichbauteil herzustellen.
Hierzu ist es wiederum besonders vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Vorimprägnierverfahren möglich, auf die oberste Seite der obersten Lage des Fasermaterials Matrixharz aufzutragen oder aber auf mindestens eine weitere Oberseite einer Zwischenlage ebenfalls Matrixharz aufzutragen. Hierdurch wird bei beispielsweise einem vier, fünf oder mehrlagigem Fasermaterial mit einem Auftrag, beispielsweise auf die Oberseite der zweiten Lage und/oder auf die Oberseite der vierten Lage von Matrixharz sichergestellt, dass eine homogene Verteilung des Matrixharzes innerhalb des gesamten Faserverbundwerkstoffs hergestellt wird. Im Rahmen der Erfindung kann auch auf jede Faserlage Matrixharz aufgebracht werden.
Weiterhin weist besonders bevorzugt die Imprägniervorrichtung eine gitterartige Auflage auf, wobei in der Imprägniervorrichtung ein Unterdruck erzeugt wird und durch die gitterartige Auflage ein Sogeffekt hergestellt wird, sodass das auf der Oberseite des Fasermaterials aufgetragene Matrixharz durch den Sogeffekt in das Fasermaterial zumindest teilweise eingesogen wird. Bei der gitterartigen Auflage der Imprägniervorrichtung handelt es sich bevorzugt um ein Lochgitter oder aber ein Stanzgitter, zumindest aber um eine perforierte Auflage, die das Durchströmen von Luft ermöglicht. Auf die gitterartige Auflage wird dann das Fasermaterial abgelegt, wobei anschließend Matrixharz auf das Fasermaterial aufgetragen wird oder aber das Fasermaterial bereits mit Matrixharz versehen ist.
Im Anschluss hieran wird ein Unterdruck erzeugt, wobei das Matrixharz durch den Unterdruck in das Fasermaterial eingesogen wird. Je nach örtlicher Auftragedichte des Matrixharzes und/oder Eindringtiefe des Matrixharzes in das Fasermaterial kann das aktive Unterstützen des Vorimprägnierens durch den Unterdruck bereits vorzeitig beendet werden. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich und bevorzugt, das Fasermaterial vollständig mit dem Matrixharz zu durchdringen. Im Rahmen der Erfindung ist ebenfalls möglich, einen überschüssigen Matrixharzauftrag auf die Oberfläche aufzubringen, so dass ein vollständiges Durchdringen des Fasermaterials mit Matrixharz sichergestellt wird und anschließend das an der Oberfläche noch vorhandene überschüssige Matrixharz abgestrichen wird. Insbesondere wird durch diese Möglichkeit sichergestellt, dass keine Lufteinschlüsse innerhalb des Faserverbundmaterials hergestellt werden.
Zur Durchführung des Vorimprägnierverfahrens mittels Unterdrucks wird besonders bevorzugt ein Unterdruck zwischen 50 und 500 mbar, vorzugsweise zwischen 100 und 400 mbar und besonders bevorzugt zwischen 150 und 250 mbar verwendet. Ergänzend oder alternativ wird der Unterdruck derart eingestellt, dass er eine Druckdifferenz zwischen 900 und 700 mbar zu dem Arbeitsumgebungsdruck oder aber dem Atmosphärendruck aufweist. Zumeist ist der Arbeitsumgebungsdruck der normale in einer Montagehalle vorherrschende Atmosphärendruck von ca. 1 bar. Das Vorimprägnierverfahren kann jedoch auch beispielsweise in einer Art Vakuumkammer oder Ähnlichem durchgeführt werden, so dass entsprechend eine Druckdifferenz zu dem dort herrschenden Arbeitsumgebungsdruck zwischen 900 und 700 mbar eingestellt wird.
Damit die gitterartige Auflage auch bei hohen Taktzahlen aufgrund des durch das Fasermaterial dringende Matrixharz nicht unnötig stark verschmutzt wird, wird weiterhin besonders bevorzugt auf die gitterartige Auflage eine Trennfolie gelegt, wobei es sich bei der Trennfolie ganz besonders bevorzugt um eine perforierte Trennfolie handelt. Durch die Trennfolie ist es somit wiederum möglich, dass der Luftzug aufgrund des Überdrucks und/oder Unterdrucks ein aktives Einbringen des Matrixharzes in das Fasermaterial ermöglicht, wobei das durch das Fasermaterial hindurchtretende Matrixharz, also das Matrixharz, dass an einer Unterseite des Fasermaterials austritt, nicht oder aber in zu vernachlässigender Weise auf die gitterartige Auflage gelangt und so Produktionsverschmutzungen hervorrufen würde. Dies wird durch die Trennfolie gänzlich vermieden. Bei der Trennfolie kann es sich dann um eine Folie handeln, die beispielsweise mehrfach auf der gitterartigen Auflage verwendet wird. Es kann sich jedoch auch um eine verlorene Trennfolie handeln, die im Anschluss an das Vorimprägnieren von dem Faserverbundmaterial abgetrennt wird. Ebenfalls kann es sich um eine Trennfolie handeln, die in dem anschließenden Umformverfahren mit in das Umformwerkzeug eingelegt wird.
Eine weitere Möglichkeit im Rahmen der Erfindung ist, dass die gitterartige Auflage vorbehandelt wird, insbesondere wird die gitterartige Auflage beschichtet. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Art Sprühbeschichtung handeln, die pro Vorimprägnierverfahren durchgeführt wird oder aber für mehrere Vorimprägnierverfahren durchgeführt wird. Im Rahmen der Erfindung handelt es sich bei der Vorbehandlung der gitterartigen Auflage um eine Art Sprühbeschichtung, beispielsweise eine Sprühbeschichtung mit einem Trennspray, insbesondere einem Teflonspray. Die gitterartige Auflage wird somit vor dem Auflegen des Fasermaterials beschichtet, anschließend wird der Vorimprägniervorgang durchgeführt und aufgrund der Beschichtung ist das Faserverbundmaterial nach Abschluss des Vorimprägnierverfahrens problemlos, insbesondere rückstandslos von der gitterartigen Auflage abnehmbar. Im Anschluss hieran wird dann eine erneute Vorbehandlung der gitterartigen Auflage durchgeführt. Auch kann die Vorbehandlung für beispielsweise 10 oder 20 Zyklen, also 10 oder 20 Vorimprägniervorgänge ausreichend sein.
Weiterhin bevorzugt wird das Faserverbundmaterial auf der gitterartigen Auflage bereits vorgeformt. Hierzu weist die gitterartige Auflage eine geometrische Ausgestaltung auf, die der herzustellenden Geometrie der Vorform entspricht. Durch Ablegen des Faserverbundmaterials auf der vorgeformten gitterartigen Auflage wird somit bereits annähernd die Geometrie der Vorform eingenommen. Aufgrund des Aufbringens des Matrixharzes und/oder gleichzeitigen Anlegen eines Unterdrucks und/oder Überdrucks wird sichergestellt, dass das Faserverbundmaterial entsprechend auf der vorgeformten gitterartigen Auflage vollflächig zur Anlage kommt. Beispielsweise in Bereichen mit hohen Umformgraden wird aufgrund des Unterdrucks und/oder Überdrucks ein entsprechendes Andrücken bzw. Anziehen an die Vorform sichergestellt. Somit wird nicht nur die homogene Matrixverteilung aufgrund des Unterdrucks und/oder Überdrucks innerhalb des Faserverbundmaterials sichergestellt, sondern es wird auch eine hohe Formgenauigkeit erzeugt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Faserverbundmaterial nach Abschluss des Vorimprägnierens mit der gitterartigen Auflage zu einem Formwerkzeug transportiert. Im Anschluss hieran ist es beispielsweise möglich, das Faserverbundmaterial von der gitterartigen Auflage direkt in das Formwerkzeug zu ziehen bzw. durch Kippen oder aber Drehen der gitterartigen Auflage das Faserverbundmaterial in das Formwerkzeug zu befördern bzw. gleiten zu lassen. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls möglich, das Fasermaterial bereits mit einem Spannrahmen auf der gitterartigen Auflage abzulegen. Nach Abschluss des Vorimprägniervorgangs ist es dann möglich, das Faserverbundmaterial mit dem Spannrahmen aufzunehmen und in das Formwerkzeug zu transferieren und in diesem abzulegen.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass das Faserverbundmaterial auf der gitterartigen Auflage bereits teilaushärtet, insbesondere ist das Matrixharz hierzu in einen gelierten Zustand übergegangen. Durch das Teilaushärten weist das vorimprägnierte Faserverbundmaterial bereits eine gewisse Steifigkeit auf, die ausreichend ist, um einen Transportvorgang durchzuführen. Das Matrixharz geht dazu in einen hochviskosen Zustand über, insbesondere eine geleeartigen Zustand, sodass das Faserverbundmaterial aufgrund des gelierten Matrixharzes eine gewisse Eigensteifigkeit aufweist.
Dieser Vorgang kann weiterhin zusätzlich dadurch unterstützt werden oder alternativ dadurch durchgeführt werden, dass dem Matrixharz zumindest bereichsweise ein Bindemittel oder Härter beigefügt wird. Bei dem Bindemittel handelt es sich um ein Mittel, dass eine gewisse Steifigkeit in dem Faserverbundmaterial erzeugt, sodass das Faserverbundmaterial im Anschluss hieran vorgehärtet oder aber teilgehärtet und sicher zu dem Umformwerkzeug transportiert werden kann. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, einen entsprechenden Härter dem Harz beizufügen. Geeignete Thermoplaste führen zu einer erhöhten Viskosität des Harzes bei Raumtemperatur. Bei hohen Temperaturen, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 90 und 150°C, insbesondere zwischen 100 und 120°C, ganz besonders bevorzugt bei ca. 110°C ist das Harz dagegen flüssig. Das Harz würde im Folgenden bei einer entsprechend hohen Temperatur im flüssigen Zustand aufgetragen werden und durch die passive Abkühlung bei Raumtemperatur während der Überdruck- und/oder Unterdruckbeaufschlagung in den Faserwerkstoff bzw. das Fasermaterial einziehen und dabei gelieren. In diesem Anwendungsfall wird weiterhin bevorzugt ein Härter verwendet, der sich bereits kurz nach dem Auftrag mit dem Matrixharz vernetzt und bereits bei Raumtemperatur aktiviert ist. Auch ist es im Rahmen der Erfindung möglich, zur lokalen Versteifung die Härterdichte zu erhöhen, so dass aufgrund des höheren Härteraufkommens eine Vorhärtung stattfindet.
Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch weiterhin vorstellbar, dass das vorimprägnierte Faserverbundmaterial von einer Greifeinrichtung aufgenommen wird und zu einem Formwerkzeug oder einem Zwischenlager transportiert wird. Bei einer Greifeinrichtung handelt es sich bevorzugt um einen Manipulator, insbesondere einen Industrieroboter, der entsprechende Greifmittel aufweist, so dass ein sicheres Transportieren des vorimprägnierten Faserverbundmaterials möglich ist. Insbesondere ist hierbei darauf zu achten, dass das Faserverbundmaterial während des Transports nicht einknickt oder ausreißt. Auf dem Zwischenlager ist es weiterhin möglich, dass eine Teilaushärtung und/oder ein abschließendes Einziehen des Matrixharzes in das Fasermaterial hergestellt wird, wobei aufgrund der Zwischenlagerung und dem aktiven Vorimprägnieren durch Unterstützung mittels Überdruck und/oder Unterdruck auf die Gesamtfertigung bezogen besonders kurze Taktzeiten ermöglicht werden.
Im Rahmen der Erfindung wird das Vorimprägnieren durch Unterstützung des Unterdrucks und/oder Überdrucks besonders bevorzugt derart durchgeführt, dass das Matrixharz in das Fasermaterial in Richtung zu der Unterseite des Fasermaterials eindringt, wobei das dann hergestellte Faserverbundmaterial kurz vor Erreichen des Matrixharzes der Unterseite des Faserverbundmaterials von der Imprägniervorrichtung aufgenommen wird und/oder der Unterdruck und/oder der Überdruck abgestellt wird. Hierdurch wird vermieden, das Matrixharz auf die gitterartige Auflage oder aber von dieser herabtropfendes Matrixharz in die Imprägniervorrichtung eindringt und somit Produktionsverschmutzungen verursachen würde.
Weiterhin ist eine Imprägniervorrichtung für Faserverbundwerkstoffe Bestandteil der vorliegenden Erfindung, die sich insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale eignet, wobei die Imprägniervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie durch eine Unterdruckkamer und eine gitterartige Auflage ausgebildet ist, wobei die gitterartige Auflage auf die Unterdruckkammer auflegbar ist. Im Rahmen der Erfindung ist die gitterartige Auflage auch in jeglicher Form in die Unterdruckkammer eingliederbar, beispielsweise einschiebbar oder aber auch einlegbar. Die gitterartige Auflage muss nicht dichtend abschließend auf der Imprägniervorrichtung aufliegen bzw. in diese eingegliedert sein, da durch das Faserverbundmaterial ein Luftdurchsatz möglich ist. Ebenfalls ist die gitterartige Auflage weiterhin bevorzugt in ihrer flächigen Ausbildung mindestens genauso groß ausgebildet wie das aufgelegte Faserverbundmaterial, bevorzugt größer ausgebildet, so dass an dem gesamten Faserverbundmaterial sichergestellt wird, dass durch das aktive Einbringen des Matrixharzes mit Unterdruck eine homogene Verteilung erreicht wird.
Die gitterartige Auflage ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Leichtmetall oder aber auch aus einem Kunststoff ausgebildet. Bei der gitterartigen Auflage handelt es sich in einfachster Ausführungsvariante um ein Lochblech oder aber um ein Stanzgitter oder Ähnliches. Die verwendete Lochgröße bzw. der verwendete Gitterabstand ist dabei wiederum abhängig von dem zu verarbeitenden Fasermaterial. Werden bei einem besonders feinen Faservlies zu große Lochdurchmesser bzw. Gitterabstände gewählt, so ist es möglich, dass das Fasermaterial unnötigerweise in Richtung der Unterdruckkammer angesogen wird. Aufgrund der einfachen Austauschbarkeit der gitterartigen Auflage zu der Unterdruckkammer ist es auch möglich, verschiedene gitterartige Auflagen für den jeweiligen Anwendungsfall vorzusehen.
Bevorzugt ist die gitterartige Auflage beschichtet, insbesondere mit einer Kunststoffbeschichtung, ganz besonders bevorzugt mit einer Teflonbeschichtung. Durch die Beschichtung ist es wiederum möglich das Faserverbundmaterial, also das Fasermaterial nach dem Vorimprägnieren mit Matrixharz in einfacher Art und Weise von der gitterartigen Auflage zu trennen. Durch die Beschichtung backt weder das Matrixharz an der gitterartigen Auflage an, noch verklebt oder verkantet sich das Faserverbundmaterial mit der Oberfläche der gitterartigen Auflage.
Besonders bevorzugt sind verschiedene, austauschbare gitterartige Auflagen lösbar auf die Unterdruckkammer aufsetzbar. Hierbei kann es sich zum einen um gitterartige Auflagen handeln, die, wie bereits zuvor erwähnt, verschieden große Lochdurchmesser oder aber Gitterabstände aufweisen. Im Rahmen der Erfindung kann es sich jedoch auch um mehrere gleichartige gitterartige Auflagen handeln, die dann zum Erreichen von kurzen Taktzeiten schnell auswechselbar sind. Hierbei kann das Faserverbundmaterial mit der gitterartigen Auflage ausgewechselt werden oder aber auch nur die gitterartige Auflage, nach Abnehmen des Faserverbundmaterials.
Weiterhin besonders bevorzugt ist die gitterartige Auflage flächig ausgebildet oder die gitterartige Auflage weist eine Vorformkontur auf. Im Falle der flächigen Ausbildung der gitterartigen Auflage ist es möglich, Faserverbundmaterial im flächigen Zustand vorzuimprägnieren. Die gitterartige Auflage kann jedoch auch in Form einer Vorformkontur ausgebildet sein. Hierbei weist die gitterartige Auflage eine Negativkontur bzw. Geometrie der herzustellenden Vorform auf. Das Faserverbundmaterial wird an die Vorformkontur angepasst und insbesondere aufgrund des Unterdrucks an diese angesogen, so dass eine besonders formgenaue Vorform hergestellt wird.
Weiterhin bevorzugt ist in der Unterdruckkammer ein Filterelement vorgesehen, wobei das Filterelement heruntertropfendes Matrixharz aufnimmt. Das Filterelement kann beispielsweise auf einem Boden der Unterdruckkammer aufliegend ausgebildet sein, sodass das Filterlement entsprechend das heruntertropfende Matrixharz auffängt. Ein unnötiges Verschmutzen der Produktionsanlage wird hierdurch vermieden. Im Rahmen der Erfindung kann das Filterelement auch als eine Art Luftfilter ausgebildet sein, der an einem Unterdruckkompressor oder an einem Unterdruckkanal angeordnet ist, so dass aufgrund des Sogeffektes von diesem angezogene Matrixharztröpfchen aufgefangen werden.
Die zuvor genannten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar mit den damit einhergehenden jeweiligen Vorteilen, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Ausführungsvarianten sind Bestandteil der folgenden Beschreibung. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Imprägniervorrichtung;
2 einen Harzauftrag;
3 ein entsprechend mit Harz benetztes Fasermaterial auf einer Imprägniervorrichtung;
4 ein aktives Imprägnierverfahren mittels Unterdruck;
5 eine Imprägniervorrichtung mit Vorform;
6 eine Imprägniervorrichtung mit lokalen Verstärkungspatches und
7a und 7b das Einbringen von Matrixharz in Fasermaterial mit und ohne aktivem Vorimprägnieren.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Imprägniervorrichtung 1, aufweisend eine Unterdruckkammer 2 und eine gitterartige Auflage 3. An die Unterdruckkammer 2 ist in der hier gezeigten Ausführungsvariante ein Unterdruckschlauch 4 angeschlossen, der in der Unterdruckkammer 2 dann einen entsprechenden Unterdruck über einen nicht näher dargestellten Unterdruckkompressor herstellt. Ferner ist in 1 ein Fasermaterial 5 dargestellt, dass auf einem Spannrahmen 6 aufgespannt ist. Zur Durchführung des Unterdruckimprägnierverfahrens wird dann der Spannrahmen 6 mit dem Fasermaterial 5 auf die Unterdruckkammer 2 aufgelegt.
Dies ist in 2 dargestellt, wobei der Spannrahmen 6 in der in 2 dargestellten Ausführungsvariante entsprechend den geometrischen äußeren Abmessungen, also der Länge L und Breite B der Unterdruckkammer 2 entspricht. Dies ist jedoch nicht zwingend vorzusehen, so dass auch der Spannrahmen 6 an seinen äußeren Seiten über die Unterdruckkammer 2 überstehen kann oder aber gegenüber dieser zurückversetzt sein kann. Ferner wird mittels einer Sprühdüse 7 Matrixharz 8 auf die Oberseite 9 des Fasermaterials 5 aufgetragen. Hierbei wird ein Randbereich 10 des Fasermaterials 5 freigelassen, so dass überschüssiges Matrixharz 8 durch die Kapillarkräfte und den Unterdruck auch in den Randbereich 10 vordringt, jedoch hier keine unnötigen Produktionsverschmutzungen erzeugt werden.
In 3 dargestellt ist der vollständige Auftrag des Matrixharzes 8 auf die Oberseite 9 des Fasermaterials 5, wobei ein jeweiliger Randbereich 10 nicht mit Matrixharz 8 bedeckt ist.
In 4 ist der Unterdruckeffekt zu erkennen. Hierbei sind einzelne Pfeile, die die Luftströmung 11 andeuten, dargestellt, die durch das Fasermaterial 5, insbesondere durch das mit Matrixharz 8 beaufschlagte Fasermaterial 5 in den Innenraum I der Unterdruckkammer 2 strömen und von dort aus in Richtung zu dem Unterdruckschlauch 4. Hierdurch wird der in 7a und b gezeigte Effekt erzielt.
In 5 dargestellt sind eine gitterartige Auflage 3, die eine Vorformkontur 12 aufweist und ein Fasermaterial 5, das auf die gitterartige Auflage 3 mit Vorformkontur 12 aufgelegt ist. Die gitterartige Auflage 3 ist wiederum auf einer Unterdruckkammer 2 aufgelegt, und eine Luftströmung 11 aufgrund des Unterdrucks PU in die Unterdruckkammer sorgt für eine vollflächige Anlage 13 des Fasermaterials 5 auf der gitterartigen Auflage 3. Bezogen auf die Bildebene auf der rechten Seite ist die vollflächige Anlage 13 noch nicht vollständig ausgebildet, was durch den dort angesiedelten Luftströmungspfeil 11 nachfolgend noch geschieht, so dass das Fasermaterial vollständig angezogen wird. Nach dem Auftrag von hier noch nicht dargestelltem Matrixharz wird das Matrixharz ebenfalls aufgrund der Luftströmung 11 in das Fasermaterial 5 eingesogen. Hierzu herrscht im Innenraum I der Unterdruckkammer 2 ein Unterdruck PU, wohingegen außerhalb der Unterdruckkammer ein Arbeitsumgebungsdruck PA herrscht.
Weiterhin dargestellt ist in 6 ebenfalls wiederum eine Unterdruckkammer 2 mit einer gitterartigen Auflage 3 und einem auf die gitterartige Auflage 3 aufgelegten Fasermaterial 5. In der gitterartigen Auflage 3 sind Vertiefungen 14 vorgesehen, wobei in die Vertiefungen 14 Verstärkungspatches 15 in Form von mehreren Lagen, hier dargestellt zwei weiteren Lagen, eingelegt sind. Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, auf die Oberseite 9 des Fasermaterials 5, aber alternativ auch auf die Oberseite 16 eines Verstärkungspatches 15 in 6 nicht näher dargestelltes Matrixharz aufzutragen.
In 7a und b ist der vorteilige Effekt des aktiven Vorimprägnierens dargestellt. Während in 7a das Matrixharz 8 auf die Oberseite 9 des Fasermaterials 5 aufgebracht ist, wobei das Matrixharz 8 nicht in Randbereichen 10 des Fasermaterials 5 aufgetragen ist, dringt das Matrixharz 8 in Richtung zu der Unterseite 17 des Fasermaterials 5 vor und verteilt sich dort stark inhomogen. Das Matrixharz 8 ist daher beispielsweise in einem Mittelabschnitt 18 stärker und tiefer in Richtung zur Unterseite 17 vorgedrungen, als es in den äußeren Abschnitten der Fall ist. Die von dem ursprünglichen Auftrag des Matrixharzes 8 ausgesparten Randbereiche 10 sind wenig bzw. gar nicht mit Matrixharz 8 benetzt.
Hiergegen ist in 7b ein Vorimprägnieren mittels Unterdruckverfahren dargestellt. An der Oberseite 16 herrscht der Arbeitsumgebungsdruck PA, wohingegen an der Unterseite 17 der Unterdruck PU herrscht. Das Matrixharz 8 ist im Mittelabschnitt 18 nahezu vollständig bis kurz vor die Unterseite 17 des Faserwerkstoffs vorgedrungen und hat sich auch in den Randbereichen 10 des Fasermaterials 5 nahezu vollständig homogen verteilt. Es ist gerade Sinn der Erfindung, dass das Matrixharz 8 zwangsläufig nicht vollständig während des Vorimprägnierens auf die Unterseite 17 durchdringt, da die restliche Verteilung des Matrixharzes 8 durch den Umformprozess und die dort entstehende Presskraft hergestellt wird, wobei Lufteinschlüsse durch das Vorimprägnieren vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Imprägniervorrichtung
2: Unterdruckkammer
3: gitterartige Auflage
4: Unterdruckschlauch
5: Fasermaterial
6: Spannrahmen
7: Sprühdüse
8: Matrixharz
9: Oberseite zu 5
10: Randbereich zu 5
11: Luftströmung
12: Vorformkontur
13: vollflächige Anlage
14: Vertiefungen
15: Verstärkungspatch
16: Oberseite zu 15
17: Unterseite zu 5
18: Mittelabschnitt zu 5
L: Länge
B: Breite
I: Innenraum zu 2
PU: Unterdruck
PA: Arbeitsumgebungsdruck

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei ein Faserwerkstoff mit Matrixharz (8) vorimprägniert wird und anschließend zu dem Faserverbundwerkstoffbauteil umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorimprägnierung durch Beaufschlagen des mit Matrixharz (8) versehenen Faserwerkstoffes mit einem Überdruck und/oder Unterdruck (PU) durchgeführt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffbauteils, insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Fasermaterials (5), – Auflegen des Fasermaterials (5) auf eine Imprägniervorrichtung, – Aufbringen von Matrixharz (8) auf das Fasermaterial (5), – Anlegen eines Unterdruckes (PU) und/oder Überdruckes an das mit Matrixharz (8) beaufschlagte Fasermaterial (5), – Vorimprägnieren des Fasermaterials (5) durch Einziehen des Matrixharzes (8) in das Fasermaterial (5), – Umformen des vorimprägnierten Faserverbundmaterials zu einem Faserverbundwerkstoffbauteil.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixharz (8) auf eine Oberseite (9) des auf der Imprägniervorrichtung abgelegten Fasermaterials (5) aufgetragen wird, vorzugsweise durch eine Sprühvorrichtung (7) oder aber mittels eines Rakels.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lagen Fasermaterial (5) zumindest bereichsweise übereinander auf der Imprägniervorrichtung (1) abgelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberseite (16) der obersten Lage Matrixharz (8) aufgetragen wird oder dass auf mindestens einer Oberseite (16) einer Zwischenlage Matrixharz (8) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniervorrichtung (1) eine gitterartige Auflage (3) aufweist, wobei in der Imprägniervorrichtung (1) ein Unterdruck (PU) erzeugt wird und durch die gitterartige Auflage (3) ein Sogeffekt hergestellt wird, so dass das auf der Oberseite (16) aufgetragene Matrixharz (8) durch den Sogeffekt in das Fasermaterial (5) zumindest teilweise eingesogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterdruck (PU) zwischen 50 und 500 mbar, vorzugsweise zwischen 100 und 400 mbar und besonders bevorzugt zwischen 150 und 250 mbar verwendet wird und/oder dass der Unterdruck (PU) mit einer Druckdifferenz von 900 bis 700 mbar zu dem Arbeitsumgebungsdruck (PA) oder dem Atmosphärendruck eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Fasermaterial (5) und der gitterartigen Auflage (3) eine Trennfolie gelegt wird, vorzugsweise eine perforierte Trennfolie.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterartige Auflage (3) vorbehandelt wird, insbesondere wird die gitterartige Auflage (3) beschichtet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial auf der gitterartigen Auflage (3) vorgeformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial mit der gitterartigen Auflage (3) zu einem Formwerkzeug transportiert wird oder dass das Faserverbundmaterial auf einem Spannrahmen (6) aufgebracht ist und mittels des Spannrahmens (6) zu dem Formwerkzeug transportiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundmaterial auf der gitterartigen Auflage (3) bereits teilaushärtet, insbesondere ist das Matrixharz (8) in einen gelierten Zustand übergegangen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Matrixharz (8) zumindest bereichsweise ein Bindemittel oder Härter aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das vorimprägnierte Faserverbundmaterial von einer Greifeinrichtung aufgenommen wird und zu einem Formwerkzeug oder einem Zwischenlager transportiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixharz (8) in das Fasermaterial (5) in Richtung zu der Unterseite (17) eindringt, wobei das Faserverbundmaterial kurz vor Erreichen des Matrixharzes (8) der Unterseite (17) von der Imprägniervorrichtung (1) aufgenommen wird und/oder der Unterdruck (PU) und/oder Überdruck abgestellt wird.
Imprägniervorrichtung (1) für Faserverbundwerkstoffe zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägniervorrichtung (1) durch eine Unterdruckkammer (2) und eine gitterartige Auflage (3) ausgebildet ist, wobei die gitterartige Auflage (3) auf die Unterdruckkammer (2) auflegbar ist.
Imprägniervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterartige Auflage (3) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Leichtmetall oder aus einem Kunststoff ausgebildet ist.
Imprägniervorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die gitterartige Auflage (3) beschichtet ist, insbesondere mit einer Kunststoffbeschichtung, ganz besonders bevorzugt mit einer Teflonbeschichtung.
Imprägniervorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Unterdruckkammer (2) verschiedene austauschbare gitterartige Auflagen (3) lösbar aufsetzbar sind.
Imprägniervorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine gitterartige Auflage (3) flächig ausgebildet ist oder dass eine gitterartige Auflage (3) eine Vorformkontur (12) aufweist.
Imprägniervorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in der Unterdruckkammer (2) ein Filterelement vorgesehen ist, das heruntertropfendes Matrixharz (8) auffängt.