DE102011112141A1

DE102011112141A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Faserverbundbauteils und Fahrzeug mit einem Faserverbundbauteil

Info

Publication number: DE102011112141A1
Application number: DE102011112141A
Authority: DE
Inventors: Maurice Bitterlich; Marcus Drechsel; Timo Niederstadt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, bei dem ein Faserwerkstoff in eine Kavität eines Formwerkzeugs (2) eingebracht wird, ein Matrixmaterial (8) unter Infiltration des Faserwerkstoffs in die Kavität injiziert wird und zumindest während des Einbringens des Matrixmaterials (8) in die Kavität in diskreten Zonen (12, 13) der Kavität die Temperatur gegenüber der Durchschnittstemperatur der Kavität erhöht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils umfassend ein Formwerkzeug (2) mit zumindest zwei voneinander trennbaren Formteilen (3) zur Bildung einer einen Faserwerkstoff aufnehmenden Kavität mit mindestens einem in die Kavität einmündenden Injektionskanal (14) zum Injizieren eines Matrixmaterials (8), wobei Temperiermittel vorgesehen sind, die das Formwerkzeug (2) zumindest für einen Teilzeitraum während des Injizierens des Matrixmaterials (8) in mindestens einer Zone (12, 13) der Kavität auf einer höheren Temperatur halten als die restliche Kavität.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, bei dem ein Faserwerkstoff in eine Kavität eines Formwerkzeugs eingebracht wird und ein Matrixmaterial unter Infiltration des Faserwerkstoffs in die Kavität injiziert wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils umfassend ein Formwerkzeug mit zumindest zwei voneinander trennbaren Formteilen zur Bildung einer einen Faserwerkstoff aufnehmenden Kavität mit mindestens einem in die Kavität einmündenden Injektionskanal zum Injizieren eines Matrixmaterials.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art sind aus der Druckschrift DE 10 2007 060 739 A1 bekannt. Diese zeigt ein Formwerkzeug, bei dem zumindest für einen Teilzeitraum während des Injizierens eines Matrixharzes in mindestens einem Kantenbereich der Formkavität das Formwerkzeug auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird als das restliche Formwerkzeug.
Weiterhin zeigt die Druckschrift DE 199 08 936 C2 eine Spritzgießvorrichtung mit Kühlkanälen in einem Formwerkzeug zum lokalen Kühlen der Kavität.
Es ist weiterhin durch die DE 10 2010 022 508 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils bekannt, bei dem nach dem vollständigen Füllen der Kavität mit Matrixmaterial die Temperatur in der Kavität derart erhöht wird, dass eine Vernetzung des Matrixmaterials stattfindet.
Die Druckschrift DE 42 06 447 A1 zeigt eine Vorrichtung, bei der das Matrixmaterial vor der Injektion in die Kavität erwärmt wird. Die Druckschrift EP 0 202 372 B1 zeigt eine Vorrichtung zum Urformen eines thermoplastischen Materials.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass die Herstellung eines Faserverbundbauteils hoher Qualität bei gleichzeitig geringer Fertigungsdauer und kurzen Taktzeiten möglich wird.
Diese Aufgabe wird einerseits gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, bei dem zumindest während des Einbringens des Matrixmaterials in die Kavität in diskreten Zonen der Kavität die Temperatur gegenüber der Durchschnittstemperatur der Kavität erhöht wird. Hierdurch wird es möglich, die Ausbreitung des Matrixmaterials in der Kavität reproduzierbar zu kontrollieren. Aufgrund der Kontrolle der Fließfront des Matrixmaterials kann sichergestellt werden, dass die Kavität vollständig gefüllt ist. Zugleich kann in Teilbereichen der Kavität noch während des Füllens der Kavität die Vernetzung des Matrixmaterials initiiert werden, wodurch die Standzeit in dem Formwerkzeug reduziert werden kann.
Die Aufgabe wird andererseits gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, bei der Temperiermittel vorgesehen sind, die das Formwerkzeug zumindest für einen Teilzeitraum während des Injizierens des Matrixmaterials in mindestens einer Zone der Kavität auf einer höheren Temperatur halten als in der restlichen Kavität. Hierdurch wird die Viskosität des Matrixmaterials gezielt beeinflusst und somit das Fließverhalten gesteuert. Darüber hinaus ist es möglich, den Vernetzungsprozess und somit die Herstellung des Faserverbundbauteils zu beschleunigen. Das Fließverhalten des Matrixmaterials durch die zu tränkenden Fasern wird von den für das Matrixmaterial verwendeten Stoffen, der Faserdichte und der Orientierung der Fasern bestimmt. Es kann in Faserverbundbauteilen Bereiche geben, in denen die Fasern lokal unterschiedlich orientiert vorliegen und/oder in denen die Fasermenge, gebräuchlich auch als Faservolumengehalt bezeichnet, unterschiedlich ist. Beides wirkt sich reduzierend auf die Fließgeschwindigkeit aus. Um die Beeinträchtigung des Fließverhaltens durch den Faservolumengehalt zu reduzieren, ist es möglich, in den entsprechenden Zonen die Temperatur gegenüber der restlichen Kavität lokal unterhalb einer Schwellentemperatur der Vernetzung des Matrixmaterials zu erhöhen und so die Viskosität des Matrixmaterials zu reduzieren. Die Schwellentemperatur der Vernetzung hängt stark von dem gewählten Matrixmaterial ab und kann beispielsweise bei 160 Grad Celsius liegen. Bei einer Durchschnittstemperatur in der Kavität von 60 bis 100 Grad Celsius würde die Temperaturerhöhung zur Verringerung der Viskosität im Bereich von 100 bis 160 Grad Celsius, vorzugsweise bei ungefähr 120 Grad Celsius, gewählt werden.
In einer Ausführungsform erstreckt sich eine Zone parallel zu dem Rand der Kavität. Dabei können mehrere unabhängig voneinander temperierbare Zonen nebeneinander angeordnet eine Zonengruppe bilden, welche vorzugsweise parallel zu einer Richtung, insbesondere der hauptsächlichen Ausbreitungsrichtung des Matrixmaterials in der Kavität, erstreckt ist.
Vorteilhaft ist es, dass die Temperaturen in den einzelnen Zonen der Kavität unabhängig voneinander auf die Viskosität, den Verlauf der Fließfront und/oder das Aushärteverhalten des Matrixmaterials in der entsprechenden Zone abgestimmt werden. So kann beispielsweise in einem Kantenbereich der Kavität die Temperatur in Abhängigkeit von der Lage der Fließfront eingestellt und/oder verändert werden. Mehrere benachbart zusammenhängende, individuell temperierbare Zonen bilden eine Zonengruppe. Diese kann parallel zu einer Richtung erstreckt sein, in welcher das Matrixmaterial durch den Injektionskanal in die Kavität eintritt. Die Richtung entspricht im Wesentlichen der hauptsächlichen Ausbreitungsrichtung des Matrixmaterials in der Kavität.
Die Erfindung nutzt zur Steuerung der Fließfront des Matrixmaterials ein selektiv beheizbares Formwerkzeug. Dabei ist das Formwerkzeug in unterschiedlich temperierbare Zonen eingeteilt, die unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die Temperaturunterschiede werden genutzt, um das Matrixmaterial beispielsweise lokal stark zu erwärmen. Dabei ist es günstig, dass das Matrixmaterial ein Duroplast ist. Durch die gegenüber dem restlichen Formwerkzeug starke Temperaturerhöhung erfolgt lokal eine beschleunigte Aushärtung des Matrixmaterials. Hierdurch wird Einfluss auf das Ausbreitungsverhalten in der Kavität genommen, die Fließgeschwindigkeit wird reduziert. Darüber hinaus kann die Verweildauer des Faserverbundbauteils in dem Formwerkzeug verkürzt werden. Um also die Fließfront zu steuern, wird während des Einbringens des Matrixmaterials in die Kavität in diskreten Zonen der Kavität die Temperatur über eine Schwellentemperatur der Vernetzung des Matrixmaterials angehoben.
Werden als Matrixmaterial Thermoplaste verwendet, verringert sich deren Viskosität in den Zonen starker Erwärmung. Dies kann genutzt werden, um die Fließgeschwindigkeit lokal zu erhöhen und so Einfluss auf das Ausbreitungsverhalten des Matrixmaterials in der Kavität und auf die Form der Fließfront zu nehmen. Alternativ kann bei fließfähigen Polymeren die Viskosität gesteigert und so die Fließgeschwindigkeit herabgesetzt werden, indem die Temperatur insbesondere lokal abgesenkt wird.
Vorteilhaft ist es, dass der Verlauf der Fließfront des Matrixmaterials erfasst wird und/oder vor dem Beginn der Injektion des Matrixmaterials, insbesondere mittels einer Simulation, bestimmt wird. Die Einteilung des Formwerkzeugs in Zonen unterschiedlicher Temperierung und die Wahl der Temperaturprofile über Zeit und Raum wird vorzugsweise im Voraus mittels einer Simulation, insbesondere unter Verwendung eines numerischen Verfahrens wie der Finite-Elemente-Methode, bestimmt.
Um das Fließverhalten des Matrixmaterials lokal und zeitabhängig zu beeinflussen, ist vorgesehen, dass das Temperiermittel eine Temperiereinrichtung zur Versorgung mehrerer Temperierkanäle mit unabhängig voneinander temperaturgeregelten und/oder -gesteuerten Temperiermedien umfasst. Dabei weist zumindest eines der Formteile mindestens einen Temperierkanal auf. Dadurch kann das Fließverhalten insbesondere in den Kantenbereichen so eingestellt werden, dass kein Voreilen des Matrixmaterials stattfindet und sich eine gleichmäßige Fließfront ausbildet. Durch eine gleichmäßige Fließfront werden Fehlstellen vermieden und so Ausschuss reduziert. Bereiche mit einem hohen Volumengehalt an Fasern können thermisch so eingestellt werden, dass eine Reduktion der Viskosität des Matrixmaterials dennoch zu einer ausreichenden Benetzung der Fasern führt. Als Temperiermedium wird ein Fluid, beispielsweise Wasser, Öl oder Luft, verwendet. Das Temperiermittel kann alternativ auch ein in dem Formteil integral angeordnetes elektrisches Widerstandsheizelement sein.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen. Das Fahrzeug besteht aus Bauelementen, beispielsweise Rahmenstrukturen oder Karosseriebauteilen wie Stoßfängern oder Fahrzeugtürverkleidungen. Ein solches Bauelement besteht erfindungsgemäß zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundbauteil, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils;
2 eine geschnittene schematische Darstellung der in 1 gezeigten Vorrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines Formteils der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtung ohne erfindungsgemäße Zonen;
4 eine schematische Darstellung eines Formteils der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtung mit erfindungsgemäßen Zonen;
5 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs in einer Seitenansicht;
6 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs in einer Draufsicht.
Die 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Formwerkzeug 2 mit zumindest zwei voneinander trennbaren Formteilen 3, 4 zur Bildung einer einen Faserwerkstoff 5 aufnehmenden Kavität 6. Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin ein Temperiermittel 7, welches das Formwerkzeug 2 zumindest für einen Teilzeitraum während des Injizierens eines in 3 gezeigten Matrixmaterials 8 temperiert. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Temperiermittel 7 eine Temperiereinrichtung 9 zur Versorgung mehrerer Temperierkanäle 10, 11. Die Temperierkanäle 10, 11 werden von unabhängig voneinander geregelten und/oder gesteuerten Temperiermedien durchströmt. Die einzelnen Temperierkanäle 10, 11 decken in den Formteilen 3, 4 räumlich begrenzte Zonen 12, 13 ab. In mindestens einer Zone 12, 13 der Kavität 6 wird von dem Temperiermittel 7 eine höhere Temperatur eingestellt als in der restlichen Kavität 6.
Zur Herstellung des Faserverbundbauteils wird ein Faserwerkstoff 5 in ein Formteil 4 des Formwerkzeugs 2 eingebracht. Nach Einbringen werden die Formteile 3, 4 des Formwerkzeugs 2 geschlossen und ein Matrixmaterial 8 unter Infiltration des Faserwerkstoffs 5 in die Kavität 6 injiziert. Nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials 8 in die Kavität 6 wird diese auf eine Temperatur erwärmt, bei der das Matrixmaterial 8 aushärtet.
Die 3 und 4 zeigen eine Draufsicht auf ein Formteil 3 des Formwerkzeugs 2. Das Formwerkzeug 2 umfasst weiterhin mindestens einen in die in den 1 und 2 gezeigten Kavität 6 einmündenden Injektionskanal 14 zum Injizieren eines Matrixmaterials 8. Das Verhalten des Matrixmaterials 8 in der in den 1 und 2 gezeigten Kavität 6 kann an dem folgenden Beispiel erläutert werden, wobei die Strömung des Matrixmaterials 8 durch Pfeile angedeutet ist.
3 zeigt das gewöhnliche Verhalten des Matrixmaterials 8 bei einem Formwerkzeug 2 mit einer über die gesamte Kavität 6 einheitlichen Temperierung. Es ist zu erkennen, wie das Matrixmaterial 8 in den Kantenbereichen 15 der Kavität 6 gegenüber der Mitte 16 der Kavität 6 vorauseilt. Dieses Fließverhalten hat seine Ursache in dem Ausfransen und den Zuschnittkanten des in den 1 und 2 gezeigten Faserwerkstoffs 5. Zwischen der Kante des Faserwerkstoffs 5 und dem Rand der Kavität 6 ist ein Bereich geringer Faserdichte, in dem das Matrixmaterial 8 schneller strömt als in dem Rest der Kavität 8. Dies führt zur Ausbildung einer in den Kantenbereichen 15 vorauseilenden Fließfront 17. Durch das Vorauseilen kann in der Kavität 6 ein Bereich 18 entstehen, der unzureichend mit Matrixmaterial angefüllt ist. Dieser Bereich 18 ist durch eine unterbrochene Linie angedeutet.
4 zeigt das Verhalten des Matrixmaterials 8 bei einem erfindungsgemäßen Formwerkzeug 2 unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird während des Einbringens des Matrixmaterials 8 in die Kavität 6 in zumindest einer diskreten Zone 12 der Kavität 6 die Temperatur gegenüber der Durchschnittstemperatur der Kavität 6 erhöht. Mit der Erwärmung beginnt die Aushärtung des Matrixmaterials 8. Das aushärtende Matrixmaterial 8 hat einerseits eine höhere Viskosität, sodass dessen Fließgeschwindigkeit reduziert ist. Andererseits behindert das erhärtete Matrixmaterial 8 das Voreilen in der Art einer Fließbremse. Hierdurch wird es möglich, die Ausbreitung des Matrixmaterials 8 reproduzierbar zu kontrollieren. Durch die Anordnung der Zone 12 in den Kantenbereichen 15 der Kavität 6 bildet sich eine Fließfront ohne Vorläufer im Kantenbereich 15 aus, bei der die Kantenbereiche 15 aus dem noch fließfähigen Matrixmaterial 8 in der Mitte der Kavität 6 gefüllt werden. Nach vollständiger Injektion des Matrixmaterials 8 wird die Temperatur in der gesamten Kavität 6 über eine Schwellentemperatur der Vernetzung des Matrixmaterials 8 angehoben, sodass das Matrixmaterial 8 aushärtet.
Die 5 und 6 zeigen ein Fahrzeug 18, insbesondere einen Personenkraftwagen. Das Fahrzeug 18 besteht aus Bauelementen, beispielsweise Rahmenstrukturen oder Karosseriebauteilen wie Stoßfängern 19 oder Fahrzeugtürverkleidungen 20. Ein solches Bauelement, beispielsweise das Dach 21, besteht zumindest abschnittsweise aus einem Faserverbundbauteil.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Formwerkzeug
3: Formteil
4: Formteil
5: Faserwerkstoff
6: Kavität
7: Temperiermittel
8: Matrixmaterial
9: Temperiereinrichtung
10: Temperierkanal
11: Temperierkanal
12: Zone
13: Zone
14: Injektionskanal
15: Kantenbereich
16: Mitte
17: Fließfront
18: Fahrzeug
19: Stoßfänger
20: Fahrzeugtür
21: Dach

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007060739 A1 [0003]
DE 19908936 C2 [0004]
DE 102010022508 A1 [0005]
DE 4206447 A1 [0006]
EP 0202372 B1 [0006]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils, bei dem ein Faserwerkstoff (5) in eine Kavität (6) eines Formwerkzeugs (2) eingebracht wird und ein Matrixmaterial (8) unter Infiltration des Faserwerkstoffs (5) in die Kavität (6) injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Einbringens des Matrixmaterials (8) in die Kavität (6) in zumindest einer mehrerer unabhängiger Zonen (12, 13) der Kavität (6) die Temperatur in der Zone (12, 13) gegenüber der Durchschnittstemperatur der Kavität (6) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturen in den einzelnen Zonen (12, 13) der Kavität (6) unabhängig voneinander auf die Viskosität, den Verlauf der Fließfront (17) und/oder das Aushärteverhalten des Matrixmaterials (8) in der entsprechenden Zone (12, 13) abgestimmt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Fließfront (17) des Matrixmaterials (8) erfasst wird und/oder vor dem Beginn der Injektion des Matrixmaterials (8), insbesondere mittels einer Simulation, bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial (8) ein Duroplast ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einbringens des Matrixmaterials (8) in die Kavität (6) in zumindest einer mehrerer unabhängiger Zonen (12, 13) der Kavität (6) die Temperatur über eine Schwellentemperatur der Vernetzung des Matrixmaterials (8) angehoben wird.
Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Faserverbundbauteils umfassend ein Formwerkzeug (2) mit zumindest zwei voneinander trennbaren Formteilen (3, 4) zur Bildung einer einen Faserwerkstoff (5) aufnehmenden Kavität (6) mit mindestens einem in die Kavität (6) einmündenden Injektionskanal (14) zum Injizieren eines Matrixmaterials (8), dadurch gekennzeichnet, dass Temperiermittel (7) vorgesehen sind, die das Formwerkzeug (2) zumindest für einen Teilzeitraum während des Injizierens des Matrixmaterials (8) in mindestens einer Zone (12, 13) der Kavität (6) auf einer höheren Temperatur halten als die restliche Kavität (6).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiermittel (7) eine Temperiereinrichtung (9) zur Versorgung mehrerer Temperierkanäle (10, 11) mit unabhängig voneinander temperaturgeregelten und/oder -gesteuerten Temperiermedien umfasst, wobei zumindest eines der Formteile (3, 4) mindestens einen Temperierkanal (10, 11) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone (12, 13) in einem Kantenbereich (15), insbesondere entlang einer Längsseite der Kavität (6), angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unabhängig voneinander temperierbare Zonen (12, 13) nebeneinander angeordnet eine Zonengruppe bilden, welche parallel zu einer Richtung erstreckt ist, in welcher das Matrixmaterial (8) durch den Injektionskanal (14) in die Kavität (6) eintritt.
Fahrzeug (18), insbesondere Personenkraftwagen, mit einem Faserverbundbauteil, welches nach dem Verfahren gemäß zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5 hergestellt worden ist.