DE102011114494A1 - Fiber-reinforced composite component and method for producing such a composite component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil (10) aus wenigstens zwei Schichten (12, 14, 16, 18), wobei eine erste Schicht (12) zumindest teilweise aus einem mittels Fasern (14) verstärkten Kunststoff besteht und wobei eine zweite Schicht (16) zumindest teilweise aus einem Elastomer besteht. Erfindungsgemäß werden die erste Schicht (12; 22), die zweite Schicht (16; 26) und eine dritte Schicht (18; 28) aus einem Gelcoat oder einem Kunstharzlack durch eine gemeinsame Vernetzung bzw. Aushärtung als Verbundbauteil (10) mit hoher Oberflächengüte zusammengefügt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verbundbauteils. (
Description
Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Verbundbauteil mit wenigstens einer Kunststoffschicht und mit wenigstens einer Elastomerschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Verbundbauteils gemäß Patentanspruch 9.The invention relates to a fiber-reinforced composite component having at least one plastic layer and having at least one elastomer layer according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such a composite component according to claim 9.
Es sind faserverstärkte Kunststoffe (FVK) bekannt, die meist wenig energieelastisch und spröde sind und daher beim Auftreten eines Energieeintrags durch Schwingungen, Stöße oder Schläge wenig Energie aufnehmen bzw. absorbieren können. Wenn derartige faserverstärkte Kunststoffe mit einer hohen Oberflächengüte erzeugt werden sollen, so wie dies beispielsweise für Karosserie-Außenhautbauteile oder Innenverklidungsteile von Fahrzeugen der Fall ist, stößt dies auf beträchtliche Schwierigkeiten. Das liegt insbesondere an der Ondulation des Rovings im Gewebe. Dadurch ergeben sich Dickenschwankungen des das Gewebe umgebenden Harzes was wiederum durch Schwund und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zu unregelmäßigen Oberflächen führt.There are known fiber reinforced plastics (FRP), which are usually less energy-elastic and brittle and therefore can absorb or absorb little energy when vibrations occur due to vibrations, shocks or impacts. If such fiber-reinforced plastics are to be produced with a high surface quality, as is the case, for example, for body shell components or interior spoilers of vehicles, this encounters considerable difficulties. This is due in particular to the undulation of the roving in the tissue. This results in thickness variations of the surrounding resin surrounding the fabric which in turn leads to irregular surfaces due to shrinkage and different thermal expansion coefficients.
Aus der
Aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbundbauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, dessen Oberfläche bei einfacher Herstellbarkeit eine hervorragende Qualität aufweist.The present invention has for its object to provide a composite component and a method for its production, whose surface has an excellent quality with ease of manufacture.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Mittel hinsichtlich der Vorrichtung und durch die im Patentanspruch 9 angegebenen Mittel hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by the means specified in claim 1 with respect to the device and by the means specified in claim 9 with respect to the method for production. Advantageous embodiments of the invention can be found in the respective subclaims.
Die Erfindung sieht vor, dass eine erste Schicht aus einem faserverstärkten Kunststoff, eine zweite Schicht aus einem Elastomer und eine dritte, aus einem Gelcoat oder einem Kunstharzlack bestehende Schicht durch eine gemeinsame Vernetzung bzw. Aushärtung als Verbundbauteil zusammengefügt sind. Durch die Verwendung des vorzugsweise in der gewünschten Farbe eingefärbten Gelcoat- oder Kunstharzlack-Schicht erhält das Verbundbauteil bei einer einfachen Herstellung in einem Arbeitsgang eine glatte Oberfäche, die auch den hohen Ansprüchen der Automobilindustrie („Class-A-Sichtoberfläche”) genügt. Das Verbundbauteil kann damit ohne weitere Nacharbeit, wie Schleifen oder Lackieren, in einem Arbeitsgang einbaufertig hergestellt werden.The invention provides that a first layer of a fiber-reinforced plastic, a second layer of an elastomer and a third layer consisting of a gelcoat or a synthetic resin paint are joined together as a composite component by a common crosslinking or hardening. By using the preferably colored in the desired color gelcoat or synthetic resin coating layer, the composite component with a simple production in one operation receives a smooth Oberfäche that meets the high demands of the automotive industry ("Class-A-visible surface"). The composite component can thus be made ready for installation without further rework, such as grinding or painting, in one operation.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung von „Schichten” die Rede ist, können damit ganz oder auch nur partiell übereinander angeordnete oder ineinander eingebettete Streifen, Stücke oder Bereiche aus den genannten Materialien gemeint sein. Von einem Kunststoff-Verbundbauteil im Sinne der vorliegenden Erfindung wird auch dann gesprochen, wenn eine oder mehrere Schichten des Kunststoff-Verbundbauteils aus Metall oder anderen, nicht als Kunststoffe zu bezeichnenden Materialien bestehen.When in the present invention of "layers" is mentioned, it may be wholly or just partially superimposed or embedded in one another strips, pieces or regions of said materials. Of a plastic composite component in the context of the present invention is also spoken of when one or more layers of the plastic composite component of metal or other, not to be designated as plastics materials.
Die als Festigkeitsträger fungierende, faserverstärkte Schicht und die Elastomerschicht werden mit der Deckschicht in einem Arbeitsgang in einer Form gemeinsam aufgebaut und anschließend unter Energieeinwirkung miteinander verbunden. Alle beteiligten Rohmaterialien sind so auf einander abgestimmt, dass sie gemeinsam vernetzen bzw. aushärten.The reinforcing layer, fiber-reinforced layer and the elastomer layer are built together with the cover layer in a single operation in a mold and then connected together under the action of energy. All of the raw materials involved are coordinated so that they network or harden together.
Die erste Schicht wird als Kunststoff-Trägerschicht aus einem Faserverstärkten Kunststoff (FVK), einem Carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) oder einem Glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) gebildet.The first layer is formed as a plastic carrier layer of a fiber reinforced plastic (FRP), a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) or a glass fiber reinforced plastic (GRP).
Die Elastomerschicht besteht bevorzugt aus einem der folgenden Stoffe:
aus Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPM), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Ethylen-Acrylat-Kautschuk (EAM), Fluorkarbon-Kautschuk (FKM), Acrylat-Kautschuk (ACM), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), optional im Verschnitt mit Polyvinylchlorid (PVC), Hydriertem Nitril-Kautschuk (HNBR), Carboxylat-Nitril-Kautschuk (XNBR), Hydrierter Carboxylat-Nitril-Kautschuk (XHNBR), Naturkautschuk (NR), Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA), Chlorsulfonyl-Polyäthylen-Kautschuk (CSM), Chloriertes Polyethylen (CM), Butyl- oder Halobutyl-Kautschuk, Silikon-Kautschuk (VMQ, MVQ), Fluor-Silikon-Kautschuk (FVMQ, MFQ), Chlorhydrin-Kautschuk (CO), Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO), Polychloropren-Kautschuk (CR), einkomponentigem Polyurethan (PU) oder einer Kombination oder einem Verschnitt der vorstehend genannten Stoffe. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Elastomerschicht auch aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE) bestehen.The elastomer layer preferably consists of one of the following substances:
of ethylene-propylene rubber (EPM), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), ethylene-acrylate rubber (EAM), fluorocarbon rubber (FKM), acrylate rubber (ACM), acrylonitrile butadiene rubber ( NBR), optionally blended with polyvinyl chloride (PVC), hydrogenated nitrile rubber (HNBR), carboxylate nitrile rubber (XNBR), hydrogenated carboxylate nitrile rubber (XHNBR), natural rubber (NR), ethyl vinyl acetate ( EVA), chlorosulfonyl polyethylene rubber (CSM), chlorinated polyethylene (CM), butyl or halobutyl rubber, silicone rubber (VMQ, MVQ), fluoro-silicone rubber (FVMQ, MFQ), chlorohydrin rubber (CO ), Epichlorohydrin rubber (ECO), polychloroprene rubber (CR), one-component polyurethane (PU) or a combination or a blend of the aforementioned substances. Alternatively, it can the at least one elastomer layer also consist of a thermoplastic elastomer (TPE).
Durch die Verbindung mit der für den jeweiligen Verwendungszweck eingefärbten dritten Schicht können fertige Verbundbauteile kostengünstig hergestellt werden. Nach der gemeinsamen Formung und Aushärtung befinden sich die erfindungsgemäßen Verbundbauteile in einem gebrauchsfertigen Zustand und müssen nicht mehr zusätzlich lackiert werden. Dadurch können Karosserie-Außenhautbauteile, wie Türen, Kotflügel, Motorhauben, Kofferraumdeckel, Dachmodule, Spoiler oder ähnliches in fertiger Form und passender Farbe hergestellt und direkt an das Fahrzeug montiert werden.By combining with the colored for the respective purpose third layer finished composite components can be produced inexpensively. After joint shaping and curing, the composite components according to the invention are in a ready-to-use condition and no longer need to be additionally painted. As a result, body shell components, such as doors, fenders, hoods, trunk lids, roof modules, spoilers or the like can be made in finished form and matching color and mounted directly to the vehicle.
Der Aufbau des Verbundbauteils aus der faserverstärkten Schicht, der Elastomerschicht und der Deckschicht geschieht bevorzugt wie folgt:
- a) Gemäß einer ersten Alternative erfolgt zunächst die Zufuhr der dritten Schicht in eine vorzugsweise mit einem Trennmittel versehene Form, insbesondere durch Aufsprühen des Gelcoats oder Kunstharzlacks,
- b) dann das Zuführen der zweiten Schicht durch Aufbringen einer unvernetzten Elastomerschicht (z. B. durch Auflegen einer rohen Gummi- oder TPE-Folie) auf die dritte Schicht;
- c) dann das Zuführen der ersten Schicht aus einem mittels Fasern verstärkten Kunststoff auf die zweite Schicht, insbesondere als fertig getränktes Prepreg oder als trockenes Gewebe, Vlies oder Matte, welche(s) dann in einem Zwischenschritt mit Kunstharz infiltriert wird;
- d) Verbinden der ersten Schicht, der zweiten Schicht und der dritten Schicht durch ein gemeinsames Aushärten bzw. Vernetzen unter Energiezufuhr. – Gemäß einer zweiten Alternative wird zwischen die dritte Schicht und die zweite Schicht noch eine weitere insbesondere mit Carbonfasern verstärkte Kunststoffschicht eingefügt, die dann ebenfalls mit den übrigen Schichten durch ein gemeinsames Aushärten bzw. Vernetzen unter Energiezufuhr verbunden wird.
- a) According to a first alternative, first the supply of the third layer takes place in a mold, preferably provided with a release agent, in particular by spraying the gelcoat or synthetic resin paint,
- b) then feeding the second layer by applying an uncrosslinked elastomer layer (eg, by laying a green rubber or TPE film) on the third layer;
- c) then feeding the first layer of fiber reinforced plastic to the second layer, in particular as a pre-soaked prepreg, or as a dry web, mat or mat which is then infiltrated with synthetic resin in an intermediate step;
- d) joining the first layer, the second layer and the third layer by co-curing under energization. - According to a second alternative, between the third layer and the second layer, a further plastic layer reinforced in particular with carbon fibers is inserted, which is then likewise connected to the remaining layers by co-curing or crosslinking while supplying energy.
Durch die weichere elastomere Schicht kann sowohl eine Schwingungsabsorption im erfindungsgemäßen Verbundbauteil als auch eine Schwingungsisolation durch das erfindungsgemäße Verbundbauteil erreicht werden. Für Innenverkleidungsteile können optisch und/oder haptisch ansprechende Oberflächenschichten erzeugt werden.As a result of the softer elastomeric layer, both vibration absorption in the composite component according to the invention and vibration isolation by the composite component according to the invention can be achieved. For interior trim parts, optically and / or haptically pleasing surface layers can be produced.
Das erfindungsgemäße Verbundbauteil weist folgende weitere Vorteile auf:
- • einfache Verarbeitungsweise
- • kurze Zykluszeiten
- • niedriger Energieverbrauch
- • Mehr-Komponenten-Verarbeitung und somit die Reduzierung des Montageaufwands
- • Kombination dreier Materialien (Hart-Weich-Hart-Verbund)
- • vielfältige Einfärbbarkeit auch mit Effekten und damit Designfreiheit
- • easy processing
- • short cycle times
- • low energy consumption
- • Multi-component processing and thus the reduction of assembly work
- • Combination of three materials (hard-soft-hard composite)
- • Diverse coloring with effects and therefore design freedom
Durch das optionale Einbringen von flammhemmend ausgerüsteten Elastomerschichten wird eine Brandausbreitung behindert.The optional introduction of flame-retardant elastomer layers impedes fire propagation.
Eine besonders vorteilhafte Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils besteht darin, dass das Verbundbauteil als Energie absorbierendes Bauteil verwendet wird. Generell ist eine Verwendung als stabiles, schwingungsdämpfendes Leichtbauteil vorteilhaft. Dabei ist beispielsweise eine Verwendung als Innenverkleidungs- oder Karosserie-Außenhautbauteil von Fahrzeugen oder als Gehäuse für hochwertige Konsumgüter, wie Computer oder Notebooks oder dergleichen möglich, wobei diese Aufzählung nur exemplarisch und nicht abschließend zu sehen ist.A particularly advantageous use of a composite component according to the invention is that the composite component is used as energy-absorbing component. In general, use as a stable, vibration-damping lightweight component is advantageous. In this case, for example, a use as interior trim or body shell component of vehicles or as a housing for high-quality consumer goods, such as computers or notebooks or the like is possible, this list is to be seen only as an example and not exhaustive.
Im Minimum sind in Verbindung mit der dritten Schicht aus einem Gelcoat oder Kunstharzlack jeweils nur eine erste Schicht beziehungsweise eingelegte oder eingebettete Streifen, Stücke oder Bereiche aus einem faserverstärkten Kunststoff und eine zweite Schicht aus einem Elastomer vorgesehen. Für bestimmte Anwendungszwecke ist ein mehrschichtiger Aufbau vorteilhaft, wobei vorteilhaft jeweils eine Kunststoffschicht und eine Elastomerschicht einander abwechseln. Dabei kann vorteilhaft eine Außenschicht oder auch beide Außenschichten durch Gelcoat oder Kunstharzlack gebildet werden.At a minimum, only a first layer or inserted or embedded strips, pieces or regions of a fiber-reinforced plastic and a second layer of an elastomer are provided in conjunction with the third layer of a gelcoat or synthetic resin lacquer. For certain applications, a multi-layer structure is advantageous, wherein advantageously each of a plastic layer and an elastomer layer alternate with each other. In this case, advantageously, an outer layer or both outer layers can be formed by gelcoat or synthetic resin paint.
Weitere Vorteile der Erfindung sind:
- – Die separate Herstellung eines harzbasierenden Festigkeitsträgers ist nicht mehr notwendig.
- – Der Aufbau des gesamten Verbundbauteils geschieht in einem durchgehenden Arbeitsgang an demselben Arbeitsplatz.
- – Eine Verwendung von Haftvermittlern ist nicht nötig.
- – Geringerer Zeitaufwand für die Herstellung, dadurch erhebliche Kostensenkung.
- – Die Herstellung einer elektrisch ableitenden Variante ist ohne signifikant höhere Materialkosten durch Einbetten leitender Fäden, Streifen oder Gewebe möglich.
- – Es sind völlig neuartige Konstruktionen möglich.
- • Energieabsorbierende Bauteile in Leichtbauweise
- • Verbundbauteile mit integriertem Oberflächenschutz gegen Kratzer oder Abrieb
- • Bauteile mit reduzierter Bruch- oder Splitterneigung bei Deformation
- • Flammhemmende Verbundteile durch Einbau unbrennbarer elastischer Schichten (z. B. Metall- oder Metallhydroxidpartikel oder halogenierte Paraffine als Zuschlagstoffe im Elastomer).
- - The separate production of a resin-based reinforcement is no longer necessary.
- - The structure of the entire composite component is done in a continuous operation at the same workplace.
- - A use of adhesion promoters is not necessary.
- - Less time required for the production, thereby significant cost reduction.
- - The production of an electrically dissipative variant is possible without significantly higher material costs by embedding conductive threads, strips or fabric.
- - Completely new constructions are possible.
- • Energy-absorbing components in lightweight construction
- • Composite components with integrated surface protection against scratches or abrasion
- • Components with reduced fracture or splinter inclination during deformation
- • Flame-retardant composite parts by incorporation of incombustible elastic layers (eg metal or metal hydroxide particles or halogenated paraffins as aggregates in the elastomer).
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Im Einzelnen zeigt:Hereinafter, embodiments of the invention are described with reference to the drawing. In detail shows:
In
Wenn im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung von „darauf” oder „nach oben” gesprochen wird, so ist zu beachten, dass in
Die erste Schicht
Die zweite Schicht
Die an die zweite Schicht
Die als Elastomerschicht ausgebildete zweite Schicht
Die Elastomerschicht enthält – sofern sie nicht aus TPE besteht – ein Vernetzungssystem, welches je nach verwendetem Elastomer wenigstens einen Vernetzer aus der Gruppe der Peroxide, der Amine und/oder der Bisphenole enthält und eine Reaktion mit dem Kunstharz der Trägerschicht ermöglicht. Alternativ zu einer Wärmebehandlung für eine Vernetzung der Elastomerschicht
Alternativ oder ergänzend zur Verstärkung mit Fasern
Beim Ausführungsbeispiel gemäß
- • Die Form wird bei Bedarf mit einem Antihaftmittel versehen, kann aber auch selbst antihaftend (beispielsweise durch Teflon®-Oberflächen) ausgebildet sein.
- • Als nächstes wird die Gelcoat- oder
Kunstharzlackschicht als Außenschicht 18 bzw.28 bevorzugt durch Sprühen in der Form erzeugt. - •
Auf die Außenschicht 28 wird im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß2 eine Carbonfaser-Matte 271 bevorzugt als fertig mit Kunstharz vorgetränktes Prepreg aufgelegt oder alternativ als trockene Carbon-Fasermatte 271 aufgelegt und in einem Zwischenschritt durch Kunstharzinfusion mit Kunstharz getränkt; beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß1 entfällt diese zusätzliche Kunstharzschicht27 . - • Im nächsten Schritt wird auf die Außenschicht
18 (beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß1 ) oder auf die zusätzliche Kunstharzschicht27 (beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß2 ) die Elastomerschicht16 bzw.26 aufgebracht. Diese wird bevorzugt als rohe, unvernetzte Gummi- oder TPE-Folie aufgelegt. - • Im nächsten Schritt wird die als Festigkeitsträger fungierende erste Schicht
12 bzw.22 mit der Faserverstärkung 14 bzw.24 auf die Elastomerschicht16 bzw.26 aufgebracht. - • Im letzten Schritt werden alle Schichten
12 ,16 und 18 bzw.22 ,26 ,27 und 28 durch eine gemeinsame Wärmebehandlung oder einen anderen Energieeintrag gemeinsam vernetzt bzw. ausgehärtet. Die Aushärtetemperatur liegt vorzugsweise zwischen 80 und 200° C.
- If necessary, the mold is provided with an anti-adhesive agent, but may also be self-adhesive (for example by Teflon® surfaces).
- • Next, the gelcoat or synthetic resin lacquer layer becomes the
outer layer 18 respectively.28 preferably produced by spraying in the mold. - • on the
outer layer 28 is in the second embodiment according to2 acarbon fiber mat 271 preferably applied as prepreg pre-impregnated with synthetic resin or, alternatively, as a drycarbon fiber mat 271 applied and soaked in a intermediate step by synthetic resin infusion with synthetic resin; in the first embodiment according to1 eliminates thisadditional resin layer 27 , - • The next step is on the outer layer
18 (In the first embodiment according to1 ) or on the additional synthetic resin layer27 (In the second embodiment according to2 ) the elastomer layer16 respectively.26 applied. This is preferably applied as a raw, uncrosslinked rubber or TPE film. - • In the next step, the first layer acting as a reinforcement is used
12 respectively.22 with thefiber reinforcement 14 respectively.24 on the elastomer layer16 respectively.26 applied. - • In the last step, all layers become
12 .16 and18 respectively.22 .26 .27 and28 crosslinked or cured together by a common heat treatment or another energy input. The curing temperature is preferably between 80 and 200 ° C.
Eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Verbundbauteilcomposite component
- 1212
- Kunststoff-Trägerschicht (erste Schicht)Plastic carrier layer (first layer)
- 1414
- Fasermaterialfiber material
- 1616
- Elastomerschicht (zweite Schicht)Elastomer layer (second layer)
- 1818
- Außenschicht (dritte Schicht)Outer layer (third layer)
- 2020
- Verbundbauteilcomposite component
- 2222
- Kunststoff-Trägerschicht (erste Schicht)Plastic carrier layer (first layer)
- 2424
- Fasermaterialfiber material
- 2626
- Elastomerschicht (zweite Schicht)Elastomer layer (second layer)
- 2727
- (weitere) Kunststoffschicht(further) plastic layer
- 271271
- Gewebetissue
- 2828
- Außenschicht (dritte Schicht)Outer layer (third layer)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2006/122749 A1 [0004] WO 2006/122749 A1 [0004]
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