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Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil und Verfahren zum Herstellen desselben sowie ein Faser-Matrix-Halbzeug und dessen Herstellung.
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Im Zuge der Leichtbauweise, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, werden zunehmend Verbundbauteile aus Verstärkungsfasern in polymerer Matrix, auch in Sandwichbauweise mit einem Kernmaterial von geringer Dichte, eingesetzt.
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Aus dem Stand der Technik ist die Herstellung von Verbund-Strukturbauteilen beispielsweise im RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) bekannt, bei dem Fasern, Faserlagen in einen Formhohlraum des RTM-Werkzeugs eingelegt werden, in den ein aushärtbares polymeres Matrixmaterial eingespritzt wird. Alternativ dazu wird zur Herstellung von Verbund-Strukturbauteilen das SMC-Verfahren (Sheet-Moulding-Compound-Verfahren) eingesetzt, bei dem zunächst ein meist plattenförmiges Faser-Matrix-Halbzeug hergestellt wird, in dem die Fertigungskomponenten Verstärkungsfasern und Matrixmaterial, fertig vermischt vorliegen und aus dem beispielsweise nach Zuschnitt durch Fließpressen ein Bauteil geschaffen werden kann. Faserverbundwerkstoff-Sandwichbauteile können beispielsweise im RIM-Verfahren (Reaction Injection Moulding) hergestellt werden, indem Verstärkungslagen und eine Kernschicht in der vorgesehenen Reihenfolge in ein Formwerkzeug eingelegt und mit einem Matrixmaterial aufgefüllt wird.
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Faserverbundbauteile zum Einsatz im Kraftfahrzeugbau haben gegenüber entsprechenden, aus Blech gefertigten Bauteilen den Nachteil der geringeren Duktilität, so dass sie im Crashfall nicht wie Blechbauteile deformiert werden, sondern spröde brechen und somit zu einem kompletten Bauteilversagen führen.
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Um ein Bauteil mit guten mechanischen Eigenschaften zu erhalten, wird in der
WO 2006/105814 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen offenbart, bei dem eine erwünschte Rückstellkraft durch eingebettete Mikrohohlkügelchen bzw. Mikrohohlkörper erzeugt wird. Dazu wird eine ungeblähte Vorstufe der Mikrohohlkügelchen in ein Fasermaterial eingebracht und die Mikrohohlkügelchen dann aufgebläht, woraufhin das Fasermaterial mit den darin befindlichen Hohlkugeln in eine geschlossene Gesamtform gebracht wird, in die Harz gebracht und so schließlich ein aus Faserverbundwerkstoff bestehendes Formteil hergestellt wird. Hier kann ferner ein Sandwichbauteil mit einer Kernlage aus Fasern, die geblähten Mikrohohlkügelchen aufweisen, zwischen Lagen aus Fasern ohne Mikrohohlkügelchen geschaffen werden.
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Aus der
DE 103 40 383 A1 ist ein Deformationsbauteil in Sandwichbauweise bekannt, auch als Crashstruktur insbesondere zum Automobil-Insassenschutz bezeichnet, das ebenfalls eine Hohlkugelstruktur aufweist, die aus mehreren Lagen metallischer Hohlkörper besteht, und mindestens eine Lage aus Polymer aufweist, die auf einer zu erwartenden Stoßrichtung eines Stoßpartners des Bauteils zugewandten Seite angeordnet ist. Die Hohlkörperlagen und die Polymerlage weisen dabei einen in Richtung auf die Stoßrichtung abnehmenden Gradienten der Festigkeit auf, wobei die metallischen Hohlkörper Lagen unterschiedlicher Festigkeit aus bilden. Hergestellt wird ein derartiges Deformationsbauteil, indem vorgelegte Hohlkugellagen mit einer Lage aus thermisch formbarem oder härtbarem Polymer überschichtet sowie gegebenenfalls infiltriert werden und die Polymere, sowie gegebenenfalls auch die Hohlkugellagen, unter Temperatur- und Druckeinwirkung umgeformt, aufgeschäumt und/oder ausgehärtet werden. Die in dieser Crashstruktur verwendeten Hohlkugeln haben Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 5 cm und bevorzugt 1 mm bis 10 mm.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil, insbesondere ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil für ein Kraftfahrzeug, zu schaffen, das integrierte duktilere Bereiche aufweist und einfach mit möglichst wenigen Prozessschritten herstellbar ist. Die duktilen Bereiche sollen ein katastrophales Versagen des Bauteils, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, im Crashfall vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Herstellung eines solchen Kunststoffverbundbauteils zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
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Weiterbildungen des Kunststoffverbundbauteils und des Herstellungsverfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Ferner werden ein Faser-Matrix-Halbzeug zum Herstellen des faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 8, ein Verfahren zur Herstellung des Faser-Matrix-Halbzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Verfahren zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 10 offenbart.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils, das eine Mehrzahl von Hohlkörpern als Deformationsstruktur umfasst, weist zumindest zwei Bauteilbereiche auf, die mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften ausgestattet sind. Dabei erstrecken sich eine oder mehrere Faserlagen, die in einem Verbund mit zumindest einem Matrixmaterial vorliegen, über die Bauteilbereiche kontinuierlich, bzw. als kontinuierliche Phase durch das gesamte Kunststoffverbundbauteil. Die kontinuierliche Phase aus Fasern, welche eine oder mehrere Faserlagen ausbildet, kann somit aus einem einzigen Faservorkörper oder auch aus mehreren zusammengesetzten Faservorkörpern bestehen. Dabei umfasst einer der oder mehrere Bauteilbereiche die Hohlkörper wie Hohlkugeln, eingebettet in das Matrixmaterial. Diese Bauteilbereiche mit den Hohlkörpern stellen Deformationsbereiche des Kunststoffverbundbauteils bereit, während zumindest ein weiterer Bauteilbereich keine Deformationsstruktur, also keine eingebetteten Hohlkörper aufweist. Durch die in das Matrixmaterial integrierten Hohlkörper können die Eigenschaften des Bauteils gezielt gesteuert werden. Das faserverstärkte Kunststoffverbundbauteil weist mit dem oder den Deformationsbereichen vorteilhaft Bauteilbereiche auf, die im Falle eines Crashs die Stoßenergie durch Verformung absorbieren kann. Dabei können die Hohlkugeln gezielt mit dem Matrixmaterial in crashrelevante Bereiche des Bauteils eingebracht werden und dienen als „Absorptionsmedium” für die Aufnahme der Deformationsenergie.
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Die Hohlkörper sind bevorzugt durch Hohlkugeln aus Metall oder Kunststoff gebildet.
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Ferner wird das zuvor spröde faserverstärkte Kunststoffverbundbauteil durch die Hohlkugeln „duktilisiert”; beim Crash wird das FVK-Bauteil nur verformt, aber nicht zerbrochen, so dass kein katastrophales Bauteilversagen auftritt.
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Dies wird dadurch unterstützt, dass sich im Gegensatz zum Stand der Technik erfindungsgemäß die Faserlage(n) durch das komplette Bauteil erstreckt/erstrecken, also auch durch die Deformationsbereiche, wodurch der Verbund des Bauteils auch im Crashfall gewährleistet ist und es beispielsweise nicht dazu kommt, dass eine Deckschicht aus Faserlagen von einer Kernschicht mit Deformationsstruktur abplatzen kann.
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Je nach Ausführung der Hohlkugeln kann zusätzlich das Bauteilgewicht reduziert werden, insbesondere, wenn die Hohlkugeln relativ groß sind, da die integrierten Hohlkugeln die Gesamtdichte der Matrix verringern. Bauteile in Leichtbauweise sind vor allem im Kraftfahrzeugbau zur Senkung des Energieverbrauchs wichtig, so dass das Kunststoffverbundbauteil besonders geeignet im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden kann.
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Generell können dabei zur Ausbildung der Deformationsbereiche und der Bauteilbereiche ohne Deformationsstruktur Matrixmaterialien eingesetzt werden, deren Zusammensetzungen gleich sind, und lediglich das Matrixmaterial der Deformationsbereiche zusätzlich die Hohlkörper aufweist. Die Zusammensetzungen der Matrixmaterialien der verschiedenen Bauteilbereiche können sich allerdings auch unterscheiden. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn das Matrixmaterial des Deformationsbereichs zusätzlich ein geschäumtes Matrixmaterial ist. Allerdings kann auch in diesem Fall Matrixmaterialien gleicher Zusammensetzungen verwendet werden, etwa wenn mechanisches oder physikalisches Schäumen vorgesehen ist, da hierbei das Aufschäumen lediglich durch ein eingebrachtes oder nach Zugabe verdampftes Treibmittelgas bewirkt wird. Ein chemisch geschäumtes Matrixmaterial wird sich in seiner Zusammensetzung zumindest hinsichtlich einer Aufschäumkomponente unterscheiden, die nach Aktivierung ein Gas zum Aufschäumen abspaltet. Insofern werden sich die Matrixmaterialien des Kunststoffverbundbauteils, das geschäumte Bauteilbereiche aufweist, insbesondere den Deformationsbereich, der chemisch geschäumt ist, zumindest hinsichtlich des nach der Gasabspaltung verbleibenden Rests der Aufschäumkomponente unterscheiden.
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Selbstverständlich können sich die Zusammensetzungen der Matrixmaterialien auch in anderen Komponenten unterscheiden. Werden unterschiedliche Matrixmaterialien verwendet, sollten diese zumindest teilweise miteinander mischbar sein, so dass sich im Übergang zwischen den Bauteilbereichen eine Grenzzone aus einem Gemisch der zumindest zwei Matrixmaterialien bildet, so dass insgesamt eine stetige Matrix im Bauteil ohne scharfe Grenzen zwischen den unterschiedlichen Matrixmaterialien vorliegt.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform des faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils weist einen Sandwichaufbau auf, wobei der Deformationsbereich mit den in das Matrixmaterial eingebetteten Deformationsstruktur aus den Hohlkörpern eine Kernschicht mit geringer Dichte des Sandwichs bildet. An die Kernschicht grenzt auf zumindest einer Seite der Bauteilbereich ohne Deformationsstruktur an und bildet somit eine Deckschicht. Natürlich kann das Sandwich auch den die Kernschicht bildenden Deformationsbereich zwischen zwei die Deckschichten des Sandwichs bildenden Bauteilbereichen ohne Deformationsstruktur bestehen.
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Alternativ zu dem Sandwich kann ein Aufbau des Kunststoffverbundbauteils die Anordnung des Deformationsbereichs mit den in das Matrixmaterial eingebetteten Hohlkörpern entlang dem Kunststoffverbundbauteil neben zumindest einem Bauteilbereich ohne Deformationsstruktur umfassen. Hierbei bietet sich insbesondere an, dass Bauteilbereiche ohne Deformationsstruktur aufgrund deren höheren Festigkeit als Verbindungs- und/oder Randbereiche des Kunststoffverbundbauteils ausgebildet sind, zwischen denen der oder die Deformationsbereiche vorgesehen sind.
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Denkbar ist allerdings auch eine Kombination der beiden vorgenannten Varianten, wobei in einem Kunststoffverbundbauteil, das generell einen Sandwichaufbau mit Deckschichten ohne Deformationsstruktur und Kernschicht mit Deformationsstruktur aufweist, Abschnitte im Bereich der Kernschicht ohne Hohlkörper vorgesehen sind und nicht als Deformationsbereich ausgebildet sind, ebenfalls etwa an Verbindungs- und/oder Randbereichen.
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Um das erfindungsgemäße faserverstärkte Kunststoffverbundbauteil gemäß einer Verfahrensvariante in einem RTM-Prozess herzustellen, wird ein Formwerkzeug verwendet, das einen der Form des Kunststoffverbundbauteils entsprechenden Formhohlraum aufweist, in den die Faserlage(n) eingelegt wird/werden. Die Fasern werden dabei so eingelegt, dass sich eine kontinuierliche Faserverteilung im gesamten Formwerkzeug ergibt. In den Formhohlraum wird an zumindest zwei Stellen zumindest ein ungehärtetes Matrixmaterial injiziert, wobei ein Matrixmaterial, das Hohlkörper enthält, an zumindest einer Stelle injiziert wird, die in einen Bereich des Formhohlraums mündet, der zur Ausbildung eines Deformationsbereichs des Kunststoffverbundbauteils vorgesehen ist. Dorf wird/werden die Faserlage(n) mit dem hohlkörperhaltigen Matrixmaterial imprägniert. Ein Matrixmaterial ohne Hohlkörper wird an zumindest einer weiteren Stelle injiziert, die in einen Bereich des Formhohlraums mündet, der zur Ausbildung eines Bauteilbereichs ohne Deformationsstruktur vorgesehen ist. So wird auch in diesem Bereich die Faserlage imprägniert, allerdings mit dem hohlkörperfreien Matrixmaterial. Durch das aushärten Lassen des oder der Matrixmaterialien wird das Kunststoffverbundbauteil erhalten, wobei der Bauteilbereich mit den in das ausgehärtete Matrixmaterial eingebetteten Hohlkörpern den Deformationsbereich bildet.
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In dieser Verfahrensvariante allerdings ist verfahrensbedingt der Durchmesser der Hohlkörper, die in dem Matrixmaterial eingesetzt werden können, beschränkt, da die Hohlkugeln gemeinsam mit dem ungehärteten Matrixmaterial injiziert werden, wobei durch geeignete Auswahl der Hohlkörperform und -abmessungen sowie Prozessparameter wie Injektionsdruck das Eindringen der Hohlkörper zusammen mit dem Matrixmaterial in die Faserlage(n) bereitgestellt werden kann. Zu große Hohlkörper würden durch die Fasern aus dem Matrixmaterial herausgesiebt.
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Werden zur Bildung der verschiedenen Bauteilbereiche Matrixmaterialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen verwendet, so findet nach deren Injektion beim Imprägnieren der Faserlage(n) in der oder den Grenzzonen zwischen den Bautenbereichen ein ineinander Fließen der Matrixmaterialien zu einem Gemisch mit kontinuierlichem Übergang sowohl der Matrixzusammensetzung als auch der dadurch dem Bauteil in den jeweiligen Bereichen verliehenen Eigenschaften statt. In der Grenzzone liegt keine Diskontinuität der Faserverstärkung, bzw. der Faserlagen vor, bzw. die Faserverstärkung oder die Faserlagen durchdringen die Grenzzone ohne Unterbrechung.
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Falls zusätzlich ein Aufschäumen des ungehärteten Matrixmaterials in einem der Bauteilbereiche, insbesondere in den Deformationsbereichen vorgesehen ist, kann ein bereits (mechanisch) geschäumtes Matrixmaterial eingesetzt werden, es kann ein chemisch oder physikalisch aufschäumendes Matrixmaterial eingesetzt werden, das direkt nach der Injektion in den Formhohlraum oder nach einer Temperaturerhöhung zur Verdampfung eines Treibmittels oder nach Aktivierung einer Aufschäumkomponente aufschäumt.
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Um die im Zusammenhang mit dem RTM-Verfahren beschriebenen Siebeffekte zu umgehen und/oder auch größere Hohlkörper, insbes. Hohlkugeln mit Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 5 cm und bevorzugt 1 mm bis 10 mm einzusetzen, kann ein SMC-Verfahren verwendet werden, um zunächst ein Faser-Matrix-Halbzeug zu schaffen, das zum Herstellen eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils verwendbar ist.
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Ein erfindungsgemäßes Faser-Matrix-Halbzeug besteht aus zumindest einer Faserlage und zumindest einem aushärtbaren Matrixmaterial. Zur Ausbildung der zumindest zwei Bauteilbereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften weist das Faser-Matrix-Halbzeug zumindest zwei Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitte auf, von denen zumindest einer, der zur Ausbildung des Deformationsbereichs vorgesehen ist, eine in das Matrixmaterial eingebettete Mehrzahl von Hohlkörpern aufweist, während zumindest ein zweiter Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitt keine Hohlkörper in dem Matrixmaterial aufweist.
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Ein solches Halbzeug kann erzeugt werden, indem zunächst zumindest zwei Teige aus Verstärkungsfasern und einem ungehärteten Matrixmaterial hergestellt werden, bei dem es sich um das gleiche Matrixmaterial handeln kann oder es können für die zwei Teige auch Matrixmaterialien verwendet werden, deren Zusammensetzungen sich unterscheiden. Zu einem der Teige werden Hohlkörper zugegeben, so dass sich die zwei Teige zumindest hinsichtlich der Hohlkörper unterscheiden. Diese Teige werden aneinander angrenzend und/oder schichtweise aufeinander angeordnet, wobei ein Schichtaufbau zumindest eine Schicht aus dem Teig mit den Hohlkörpern und eine Schicht aus dem Teig ohne gebildet wird, so dass die Schichten die zur Ausbildung der Bauteilbereiche vorgesehenen Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitte bilden, nachdem die angrenzend aneinander und/oder schichtweise aufeinander angeordneten Teige zu dem Faser-Matrix-Halbzeug pressgeformt wurden. Der Schichtaufbau kann auch ein Sandwich aus einer Teigschicht mit den Hohlkörpern zwischen zwei Teigschichten ohne Hohlkörper sein. Da hier die Fasern außerhalb der Pressform mit dem die Hohlkugeln umfassenden Matrixmaterial imprägniert werden, können auch Hohlkörper mit größeren Abmessungen verwendet werden, die sich mit dem Matrixmaterial gleichmäßig zwischen den Fasern verteilen.
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Die Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils aus dem Faser-Matrix-Halbzeug umfasst dann das Zuschneiden des Faser-Matrix-Halbzeugs und Einlegen in ein Fliesspresswerkzeug, in dem das Halbzeug in Bauteilform gebracht wird. Nach dem aushärten Lassen des oder der Matrixmaterialien bildet der Bauteilbereich mit den in das ausgehärtete Matrixmaterial eingebetteten Hohlkörpern den Deformationsbereichs des Kunststoffverbundbauteils.
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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.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenschnittansicht eines RTM-Werkzeugs zur Herstellung des erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils,
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2a eine schematische Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils,
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2b eine schematische Seitenschnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils,
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2c eine schematische Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil,
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3 eine schematische Draufsicht auf ein Faser-Matrix-Halbzeug mit unterschiedlichen Abschnitten.
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Bei dem erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteil sind die Bauteileigenschaften in verschiedenen Bauteilbereichen innerhalb des Kunststoffverbundbauteils gezielt modifiziert, so dass das Bauteil bedarfsgerecht ausgelegt ist und crashrelevante Bauteilbereiche duktiler gestaltet werden können, um ein Bautenversagen beim Crash zu vermeiden. Um gezielt die unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb des Bauteils zu erhalten, kann beispielsweise ein Injektionsverfahren mit mehreren Angüssen verwendet werden, in welche unterschiedliche Matrixwerkstoffe injiziert werden, die so ausgelegt sind, dass sie sich im Zusammenfluss über einen gewissen Bereich vermischen können und sich verbinden.
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Ein solches Verfahren ist in
US 2008/0305340 A1 offenbart. Dort wird ein Verbundbauteil mit mehreren Harzen hergestellt. In den Übergangsbereichen liegen dann graduelle Übergänge der Zusammensetzungen von einem Harz zum anderen vor. Damit werden scharfe Übergänge zwischen den durch die verschiedenen Harze gebildeten Bereichen vermieden, die nachteilig hohe Belastungen an der Grenzfläche schaffen würden. Allerdings wird dort die Verwendung eines spröden Harzes neben einem verstärkten bzw. schlagzähmodifizierten Harz vorgeschlagen.
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Erfindungsgemäß wird hingegen auf die Herabsetzung der Sprödigkeit durch die Erhöhung der Duktilität von bestimmten Bauteilbereichen abgezielt. Dies wird durch die Integration von Hohlkörpern in die dazu vorgesehenen Bauteilbereiche erreicht. Alle Bauteilbereiche weisen Verstärkungsfasern auf, die somit eine kontinuierliche sich durch das gesamte Bauteil erstreckende Faserlage bilden. Die Hohlkörper werden geeigneter Weise Hohlkugeln sein, denkbar sind aber auch andere abgerundete Formen wie Ellipsoide oder Eiformen auch unregelmäßige kugelige Formen oder Formen mit Kanten wie Zylinder oder Polyeder.
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Ein erfindungsgemäßes Kunststoffverbundbauteil 10, wie in 2a–2b dargestellt, zeichnet sich durch zumindest zwei Bauteilbereiche 11, 12 mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften aus, wobei sich eine oder mehrere Faserlagen 10 (als Fasereinleger 10' in 1 oder als Verstärkungsfasern 10' in 3 zu sehen) über sämtliche Bauteilbereiche 11, 12 erstreckt. Die Faserlage 10' liegt im fertigen Kunststoffverbundbauteil im Verbund mit dem oder den Matrixmaterialien 7, 8 vor. Erfindungsgemäß weist das Kunststoffverbundbauteil 10 wenigstens einen Bauteilbereich 12 auf, der deformierbar ist und dadurch einen Deformationsbereich oder auch Energieabsorptionsbereich 12 des Kunststoffverbundbauteils 10 bildet, der im Falle eines Aufpralls durch Deformation die Stoßenergie aufnehmen kann, was insbesondere für ein Kraftfahrzeugbauteil von Vorteil ist. Der Deformationsbereich wird durch in das Matrixmaterial 8 eingebettete Hohlkörper gebildet. Die Hohlkörper können aus Metall oder Kunststoff oder einem anderen elastisch und/oder plastisch verformbaren Material sein. Damit verleihen die Hohlkörper dem Bauteilbereich 12 die gewünschte Duktilität. Im Crashfall verformt sich das Bauteil 10, anstelle zu zerbrechen.
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Das Bauteil 10 kann, wie in 2b im Schnitt dargestellt, als Sandwich aufgebaut sein, bei dem die Bauteilbereiche 11 mit hohlkörperfreier Matrix die Decklagen bilden, während der Bauteilbereich 12 mit hohlkörperhaltiger Matrix die Kernlage bildet, die dem gesamten Bauteil 10 durch ihre geringe Dichte ein besonders niedriges Gewicht verleiht.
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Um ein besonders leichtes Bauteil zu erhalten, kann zusätzlich das Matrixmaterial 8 im Deformationsbereich 12 geschäumt vorliegen.
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Alternativ zu einem als Sandwich konzipierten Bauteil, können die Bauteilbereiche 11, 12 auch nebeneinander liegen, siehe 2a, 2c. Hierbei kann es sich bei den Bauteilbereichen 11 mit hohlkörperfreier Matrix um Verbindungsbereiche des Bauteils 10 beispielsweise mit einer Fahrzeugkarosserie handeln. Die durch die Bauteilbereichen 11 mit hohlkörperfreier Matrix gebildeten Verbindungsbereiche sind dabei hochfest, während über die Länge, bzw. Fläche des Bauteils 10 im mittleren Bereich der Deformationsbereich 12 angeordnet ist, um insbesondere, wenn es sich um Kraftfahrzeugbauteile 10 handelt, hier die Verformungsenergie im Crash-Fall aufnehmen zu können.
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Als Faserlage(n) 10' kommen Faseranordnungen wie Fasermatten, Gewebe, Geflechte, Gestricke oder Vliese, die aus kontinuierlichen oder nicht kontinuierlichen Einzelfasern, Rovings oder Faserbändern bestehen, in Frage. Dabei kann es sich auch um Hybridfasern oder Hybridfaseranordnungen aus verschiedenen Fasermaterialien handeln. Bei den Fasermaterialien kann es sich um die üblichen Verstärkungsfasern aus Glas, Carbon und Polymeren, beispielsweise Thermoplasten wie Polyamid, insbesondere Aramid handeln, aber auch Basalt-, Keramik-, Metall- oder Naturfasern kommen in Frage. Die Fasern können beispielsweise unidirektional oder wechselseitig gewinkelt angeordnet sein.
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Zur Ausbildung der Matrix in dem Bauteil 10 können für die Bauteilbereiche 11, 12 unterschiedliche Matrixmaterialien verwendet werden. In diesem Fall können sich die unterschiedlichen Matrixmaterialien in den Grenzzonen 13 zwischen den Bauteilbereichen 11, 12 miteinander vermischen, so dass dort ein Gemisch aus den Matrixmaterialien der angrenzenden Bauteilbereiche 11, 12 vorliegt. In der Grenzzone 13 liegt dann ausgehend von dem Bauteilbereich 12 mir der hohlkörperhaltigen Matrix zu dem Bauteilbereich 11 mit der hohlkörperfreien Matrix eine graduelle Verarmung an Hohlkörpern vor, so dass hier ein fließender Übergang der Duktilität zwischen den Bauteilbereichen 11, 12 besteht.
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In den Figuren sind Bauteile beispielhaft jeweils mit einem Deformationsbereich zwischen ungeschäumten Bereichen dargestellt, letztendlich können in einem Bauteil jedoch auch mehrere Deformationsbereiche vorgesehen sein, die durch Bereiche ohne Hohlkörper getrennt sind. Der Anteil und die Art der verwendeten Hohlkörper können zwischen den verschiedenen Deformationsbereichen durchaus variieren. Ferner können auch mehr als zwei Matrixmaterialien eingesetzt werden. Werden drei oder mehr verschiedene Matrixmaterialien eingesetzt, ist dann auch eine Grenzzone denkbar, die nicht zwischen zwei Bereichen liegt, sondern auch an dem Zusammentreffen dreier Bereiche entstehen kann. Hier weist dann die Grenzzone ein Gemisch aller drei Matrixmaterialien auf.
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Ein mögliches Herstellungsverfahren ist ein RTM-Verfahren, bei dem die Fasern, Faserlagen oder Faserhalbzeuge (sogenannte Prewovens oder Preformen) in den Formhohlraum des RTM-Werkzeugs eingelegt werden, in die das oder die aushärtbaren polymeren Matrixmaterialien eingespritzt werden, bei denen es sich häufig um elastomere oder duroplastische Reaktionsharze wie Epoxidharz, Polyester, Vinylester, Phenolharze, Acrylharze oder Polyurethanharze handelt, die aber auch eine thermoplastische Kunststoffschmelze sein können. Das Matrixmaterial wird mittels Kolben von einer meist beheizten Vorkammer über Verteilerkanäle in den Formhohlraum eingespritzt, infiltriert das Fasermaterial und härtet je nach Matrixmaterial unter Wärmezu- oder -abfuhr und Druck aus. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden, kann die Kavität vor dem Einspritzen evakuiert werden.
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Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils 10 im RTM-Verfahren kann ein Werkzeug 20 mit mehreren Angüssen verwendet werden, wie es in 1 skizziert ist. In den zwischen der schließseitigen und angusseitigen Werkzeughälfte 21, 22 vorliegenden Formhohlraum 24 münden daher die Injektionsvorrichtungen 23 für die Matrixmaterialien 7, 8 an den Stellen 23a, 23b. Das ungehärtete Matrixmaterial 8 umfasst die Hohlkörper und unterscheidet sich somit zumindest hinsichtlich der enthaltenen Hohlkörper von dem Matrixmaterial 7. Die Injektionsstellen 23a, 23b liegen jeweils innerhalb eines Abschnitts des Formhohlraums 24, der jeweils Zur Ausbildung der entsprechenden Bauteilbereiche 11, 12 vorgesehen ist. Nachdem der Fasereinleger 10 in den Formhohlraum 24 des Werkzeugs 20 eingelegt wurde, wird dann das hohlkörperfreie Matrixmaterial 7, das zur Ausbildung der Bauteilbereiche 11 ausgewählt ist, von den Injektionsvorrichtungen 23 an den bestimmten Stellen 23a in den Formhohlraum 24 eingespritzt und gleichzeitig wird das hohlkörperhaltige Matrixmaterial 8, das zur Ausbildung des Deformationsbereichs 12 ausgewählt ist, von der Injektionsvorrichtung 23 an der bestimmten Stellen 23b injiziert. Der Fasereinleger 10' wird in den Bauteilbereichen 11, 12 mit dem jeweiligen Matrixmaterial 7, 8 imprägniert, wobei die Matrixmaterialien 7, 8 in den Grenzzonen 13 zwischen den Bauteilbereichen 11, 12 zusammenfließen, sich mischen und miteinander verbinden.
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Nach dem Aushärten der Matrixmaterialien 7, 8 ist das einstückige Verbundbauteil 10 mit dem leichten Deformationsbereich 12 und den festeren Bauteilbereichen 11 fertig gestellt. Natürlich können auf die genannte Weise einstöckige Bauteile mit noch mehr Bauteilbereichen geschaffen werden.
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Werden als Matrixmaterialien Harzsysteme verwendet, so wird zum Aushärten die Temperatur in dem Formhohlraum 24 erhöht, wozu das Werkzeug 20 eine Heizeinrichtung 26 aufweisen kann, und Druck auf die imprägnierte Faseranordnung 10' ausübt, indem entsprechende, Pressdruck erzeugende, Mittel der schließseitigen Werkzeughälfte 21 aktiviert werden.
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Ferner kann ein Werkzeug zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils 10 Injektionsmittel vorsehen, die sich in den Formhohlraum 24 hinein erstrecken, um in einen dort eingelegten Fasereinleger 10' einzudringen. Diese können etwa zur Injektion des hohlkörperhaltigen Matrixmaterials 8 in das Innere des Fasereinlegers 10' zur Bildung eines aufgeschäumten Sandwichkerns 12, vgl. 2b, verwendet werden. Diese Verfahrensvariante entspricht einem RIM-Verfahren (Reaction Injektion Moulding), allerdings werden hier nicht verschiedene Lagen wie Verstärkungslagen für Deckschichten und flächige Abstandslagen für eine Kernschicht in der vorgesehenen Reihenfolge in das Formwerkzeug eingelegt, sondern lediglich die komplette Faserlage(n) eingelegt, während die Deck- und Kernschichtbildung durch die Injektion der Matrixmaterialien erfolgt. Die Faserlagen ziehen sich also kontinuierlich durch Deck- und Kernschicht.
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Generell kann zur Verminderung von ungewollten Lufteinschlüssen, auch abhängig von der gewählten Injektionsart, der Formhohlraum 24 nach dem Einlegen der Faseranordnung 10 und Schließen der Werkzeughälften 21, 22 vor der Injektion der Matrixmaterialien 7, 8 evakuiert werden. Dazu weist das Werkzeug 20 einen Entlüftungskanal 25 aus dem Formhohlraum 24 auf, der zu einer Vakuumpumpe 25a verläuft.
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Duroplastische Matrixmaterialien können neben dem vernetzungsfähigen Harz Weichmacher, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe sowie Reaktionsmittel, Vernetzungsmittel, Additive zur Schwundreduktion, Inhibitoren, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe und Stabilisatoren umfassen.
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Generell werden in RTM-Verfahren Harze bzw. Harzsysteme als zu injizierende Matrixmaterialien verwendet, die eine niedrige Viskosität besitzen, um den Strömungswiderstand beim Durchströmen der Form und der Faseranordnung gering zu halten, so dass kleinere Druckdifferenzen zum Füllen erforderlich sind. Üblicherweise bestehen Reaktionsharze für RTM-Verfahren, die als spezielle Injektionsharze angeboten werden, aus einer Harz- und Härterkomponente. Harzsysteme mit geringer Reaktivität können bereits vor der Injektion gemischt werden.
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Zwar werden RTM-Verfahren üblicherweise mit Harzen als Matrixmaterialien durchgeführt, im Sinne der Erfindung sind aber auch thermoplastische Kunststoffe als Matrixmaterialien denkbar, die dann in geschmolzener Form mittels einer Extrudiervorrichtung in die Kavität mit dem Fasereinleger eingespritzt werden. Das Werkzeug kann für einen definierten Erstarrungsvorgang neben Heizeinrichtungen auch Kühleinrichtungen aufweisen. Generell können aber auch Werkzeuge zur Harzinjektion mit Kühleinrichtungen ausgestattet sein.
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Alternativ zu dem RTM-Prozess kann für die Herstellung des Verbundbauteils ein Verfahren eingesetzt werden, das einen SMC-Prozess umfasst. Dabei werden generell die Fertigungskomponenten Verstärkungsfasern und Matrixmaterial, etwa Glasfasern und ein Reaktionsharz, angeteigt und in Form, etwa Platten- oder Folienform, gebracht, um so ein Faser-Matrix-Halbzeug zu schaffen, das dann beispielsweise nach Zuschnitt durch Fließpressen zum fertigen Bauteil weiterverarbeitet werden kann. Die Verstärkungsfasern liegen hier meist in Matten-, seltener in Gewebeform mit typischen Faserlängen zwischen 25 und 50 mm vor. Beim Pressen des SMCs zu dem fertigen Bauteil können auch Befestigungselemente in die Pressform eingelegt werden, wodurch SMCs besonders wirtschaftlich sind.
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So kann das in 3 gezeigte Faser-Matrix-Halbzeug 5 in einem SMC-Prozess erhalten werden, das als plattenförmige teigartige Pressmasse in Folienform die Lage(n) Verstärkungsfasern 10' mit den aushärtbaren Matrixmaterialien 7, 8 in Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitten 1, 2 umfasst.
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An den Grenzen zwischen den Abschnitten 1, 2 wird durch die Gemische 4 der mischbaren Matrixmaterialien 7, 8 jeweils die Grenz- bzw. Übergangszone 13 ausgebildet, in der auch ein Anteil der in dem Matrixmaterial 8 des Abschnitts 2 enthaltenen Hohlkörper in Richtung des hohlkörperfreien Abschnitts 1 abnimmt. Der Abschnitt 2 mit den Hohlkörpern bildet während eines nachfolgenden Fertigungsschritts zu dem Bauteil den Deformationsbereich 12 aus.
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Ein aus dem Faser-Matrix-Halbzeug 5 beispielsweise in einem Fließpresswerkzeug erzeugtes Bauteil 10 kann so mit dem oder den Deformationsbereichen 12 und den festeren hohlkörperfreien Bereichen 11 bedarfsangepasst gestaltet werden.
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Es sind auch hier Bauteile denkbar, die aus dem Halbzeug geschaffen werden, bei denen drei oder mehr Bauteilbereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften vorliegen. Dazu können dann auch entsprechend drei verschiedene Matrixharze respektive mit Hohlkörpern und ohne eingesetzt werden, wobei auch hier Anteil, Form und Material der Hohlkörper variiert werden kann.
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Um das erfindungsgemäße Faser-Matrix-Halbzeug 5, das in den Abschnitten 1, 2 Matrixmaterialien 7, 8 vorsieht, die sich zumindest hinsichtlich der zugegebenen Hohlkörper unterscheiden, herzustellen, werden durch Vermischen von Verstärkungsfasern 10' und Matrixmaterial 7, 8 zwei (oder gegebenenfalls auch mehr) Teige hergestellt, wobei einem Teig (oder gegebenenfalls auch mehreren Teigen) Hohlkörper zugegeben werden, während zumindest ein Teig hohlkörperfrei bleibt. Um das Faser-Matrix-Halbzeug 5 als plattenförmige Pressmasse in Folienform zu erhalten, werden die Teige aneinander angrenzend und/oder schichtweise aufeinander angeordnet. In letzterem Fall wird zumindest eine Schicht aus hohlkörperfreiem Teig auf eine Schicht aus hohlkörperhaltigem Teig angeordnet, es kann aber auch eine Schicht aus dem hohlkörperhaltigem Teig zwischen zwei Schichten aus hohlkörperfreiem Teig gesandwicht werden, so dass ein derartig gestaltetes Halbzeug zur Herstellung eines Sandwich-Bauteils verwendet werden kann. Die entsprechend der gewünschten Faser-Matrix-Halbzeug-Abschnitte 1, 2 angeordneten Teige werden dann zur Ausbildung des Faser-Matrix-Halbzeugs 5 meist in Folienform gepresst. Denkbar ist hier aber auch das Formpressen in eine andere, bauteilnahe Form.
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Zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils 10 aus dem Faser-Matrix-Halbzeug 5 wird dieses zunächst entsprechend zugeschnitten und in ein Fließpresswerkzeug eingelegt. Dort findet dann unter Temperaturbeaufschlagung, um das Matrixmaterial fließfähig zu machen, die Formgebung zum Bauteil und das Aushärten zu dem fertigen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteil 10 statt.
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Nach Aushärtung kann das geformte Bauteil aus dem Presswerkzeug entformt werden. Das Matrixmaterial des Faser-Matrix-Halbzeugs kann ferner als Additiv ein Trennmittel aufweisen, das dazu vorgesehen ist, bei dem genannten Pressprozess in dem heißem Presswerkzeug an die Oberfläche des Halbzeugs zu gelangen, um zu verhindern, dass das Matrixmaterial an den Werkzeugoberflächen der Presse anhaftet.
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Das in beiden Herstellungsverfahren nach dem aushärten Lassen des oder der Matrixmaterialien 7, 8 erhaltene Kunststoffverbundbauteil 10, das neben den festeren Bauteilbereichen 11 mit hohlkörperfreier Matrix 8 einen oder mehrere leichte Deformationsbereiche 12 aufweist, stellt damit nicht nur eine Struktur zur Absorption der Stoßenergie im Falle eines Crashs bereit, sondern weist aufgrund der verringerten Dichte im Deformationsbereich 12 aufgrund der Hohlkörper und der infolgedessen geringeren erforderlichen Matrixmaterialmenge auch ein geringeres Gewicht auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/105814 A1 [0005]
- DE 10340383 A1 [0006]
- US 2008/0305340 A1 [0039]
