DE102012003001A1

DE102012003001A1 - Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen

Info

Publication number: DE102012003001A1
Application number: DE201210003001
Authority: DE
Inventors: Josef Ulrich; Manfred Duri
Original assignee: Die Wethje Kunststofftechnik GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Die Wethje Kunststofftechnik GmbH; Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Kohlefaserverbundbauteils zur Verwendung in der Automobilindustrie, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Zuschneiden eines Faserhalbzeugs unter Bildung einer Faserlage mit vorbestimmten Abmessungen b) imprägnieren des Faserlage mit einem härtbaren Kunstharz unter Verwendung eines Druckverfahrens c) Aufstapeln der imprägnierten Faserlagen unter Bildung eines Faserlagenpakets d) Aushärten des Faserlagenpakets unter Bildung des Faserverbundbauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Kohlefaserverbundbauteils zur Anwendung in der Automobilindustrie.
Die industrielle Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen erfolgt üblicherweise durch Handlaminieren, in Nasspressverfahren, in Prepreg-Pressverfahren oder in Harzinfusionsverfahren wie dem Resin Transfer Moulding (RTM)-Verfahren.
Das Handlaminieren, ist das einfachste Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen. Beim Handlaminieren wird das Faserhalbzeug in Form von Geweben, Gelegen oder Fasermatten von Hand in eine Form eingelegt und mit Kunstharz getränkt oder besprüht. Anschließend wird das Laminat mit Hilfe einer Rolle durch Anpressen entlüftet. Nach dem Aufbringen aller Schichten wird das Bauteil in der Form ausgehärtet und nach dem Entformen gegebenenfalls nachbearbeitet.
Durch Handlaminieren können allerding nur Bauteile mit einem niedrigen Faservolumenanteil hergestellt werden. Nachteilig sind auch die hohen Zykluszeiten und die unregelmäßige Bauteilqualität, da die Verarbeitung von Hand oftmals zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Matrixmaterials führt. Durch den hohen manuellen Aufwand entstehen hohe Lohnkosten. Da keine exakte Harzdosierung erfolgen kann, ist auch der Harzverbrauch höher als notwendig. Die offene Verarbeitung des Matrixmaterials insbesondere in Sprühverfahren ist außerdem umweltschädlich und stellt hohe Anforderungen an den Arbeitsschutz.
Beim Nasspressverfahren wird das Faserhalbzeug mittels einer Düse mit Harz besprüht bzw. getränkt. Das vorgetränkte Laminat wird dann in ein Presswerkzeug eingelegt und verpresst. Das überflüssige Harz kann am Werkzeugrand entweichen. Auch bei diesem Verfahren besteht die Gefahr einer unvollständigen oder ungleichmäßigen Benetzung der Fasern durch die Harzmatrix. Andererseits werden durch das Besprühen der Halbzeuge auch Fasern getränkt, die nicht zum Bauteil gehören und die beim Zuschnitt der Bauteile mit Harz durchtränkte Faserabfälle ergeben, deren Entsorgung schwierig ist.
Die Herstellung von Prepregs erfolgt üblicherweise automatisiert durch Imprägnieren von Faserhalbzeugen auf Endlosbändern. Die vorgetränkten Prepregs werden dann unter Zwischenlage einer Schutzfolie wieder aufgerollt. Um eine vorzeitige Aushärtung der Harzmatrix zu verhindern, werden die Prepregs unter Kühlung gelagert.
Zur Bauteilherstellung werden die Prepregs zunächst auf Raumtemperatur erwärmt und anschließend auf die gewünschte Bauteilform zugeschnitten. Danach erfolgt die schichtweise Ablage in das Formwerkzeug. Der Verbund wird anschließend entlüftet, gegebenenfalls vorgepresst und danach, häufig im Autoklaven, bei Temperaturen von über 120°C und unter einem Pressdruck von über einem Bar ausgehärtet.
Die Kosten von Faserverbundbauteilen aus Prepregs sind wegen des aufwändigen Herstellungsverfahrens und der notwendigen Lagerung der Prepregs in Kühlzellen sehr hoch. Beim Zuschneiden der Bauteilformen fällt mit Harz getränktes Fasermaterial als Abfall an, der nur eingeschränkt wiederverwertet werden kann. Auch die Schutzfolie zur Trennung der Prepreg-Lagen muss als Abfall entsorgt werden. Weitere Einschränkungen bestehen in der Auswahl des Harzsystems, dass somit nicht optimal an die Bauteilspezifikationen angepasst werden kann.
Beim Harzinfusionsverfahren wird das trocken zugeschnittene Faserhalbzeug in eine mit Trennmittel beschichtete Form eingelegt. Die Form wird evakuiert und das reaktive flüssige Harz wird durch das angelegte Vakuum in das Fasermaterial gesaugt. Nachdem die Fasern vollständig getränkt sind, wird die Harzzufuhr unterbrochen und der getränkte Faserverbundwerkstoff ausgehärtet.
Nachteile dieses Verfahrens sind die langen Zykluszeiten, da die Imprägnierung der Faserhalbzeuge im Formwerkzeug erfolgt. An Bauteilkanten, Wölbungen und Ecken kann es außerdem zu Fehlstellen kommen, da das Fließverhalten des Harzmaterials nicht genau gesteuert werden kann. Bei sehr reaktiven niedrigviskosen Harzen kann die Aushärtung schon einsetzen, bevor eine vollständige Durchtränkung des Faserhalbzeugs erreicht ist. Die Verwendung weniger reaktiver Harze erhöht allerdings die für die Durchtränkung und Aushärtung benötigte Zeit. Zusätzliche Kosten entstehen durch die Verwendung von Bindemitteln für das Aufstapeln des trockenen und wenig schubfesten Faserhalbzeugs in der Form.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren zu vermeiden und ein kostengünstiges und automatisierbares Verfahren zur Herstellung von Faserverbundbauteilen anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, d. h. also durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, welches die folgenden Schritte umfasst:

a) Zuschneiden eines Faserhalbzeugs unter Bildung einer Faserlage mit vorbestimmten Abmessungen;
b) Imprägnieren der Faserlage mit einem härtbaren Kunstharz unter Verwendung eines Druckverfahrens;
c) Aufschichten der imprägnierten Faserlagen unter Bildung eines Faserlagenpakets;
d) Aushärten des Faserlagenpakets unter Bildung des Faserverbundbauteils.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben, die auch wahlweise miteinander kombiniert werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zur Durchtränkung des Faserhalbzeugs ein Druckverfahren verwendet wird. Damit kann ein konturnaher, vorzugsweise ein konturgenauer Auftrag des Harzmaterials auf das Faserhalbzeug erreicht werden.
Die Verwendung eines Druckverfahrens zum Imprägnieren der Faserhalbzeuge hat ferner den Vorteil, dass der Harzauftrag gleichmäßig und in einer genau vorbestimmten Menge erfolgen kann.
Durch den Anpressdruck der Druckwalze bzw. Druckrakel wird das Faserhalbzeug entlüftet und das Harzmaterial in die Faserzwischenräume gepresst. Es findet also eine Art Druckimprägnierung statt, was die Taktzeiten verkürzt. Die Imprägnierung des Faserhalbzeugs ist automatisierbar und gleichzeitig in den Fertigungsprozess integriert. Damit muss das durchtränkte Faserhalbzeug nicht mehr gelagert werden, sondern durchläuft die Bauteilfertigung unmittelbar nach der Stufe der Imprägnierung. Aufgrund der kürzeren Verarbeitungszeiten können daher auch reaktivere oder bei niedrigeren Temperaturen aushärtende Harze eingesetzt werden.
Im Vergleich zur Herstellung von Faserverbundbauteilen aus Prepregs kann das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstiger durchgeführt werden, da keine Lagerung der vorimprägnierten Faserhalbzeuge unter Kühlung notwendig ist. Außerdem fällt beim Zuschnitt der Faserhalbzeuge kein mit Harzmaterial durchtränkter Abfall an. Die Wiederverwertung des aus reinen Fasern bestehenden Verschnittmaterials ist daher wesentlich einfacher und trägt zur weiteren Senkung der Prozesskosten bei.
Gegenüber den bekannten Harzinfusionsverfahren besitzt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass der Aufwand zur Mischung und Dosierung des Harzmaterials wesentlich geringer ist, da keine Injektion des Harzes in ein Formwerkzeug erfolgen muss. Vielmehr kann auf die in der Drucktechnik bereits erprobten Vorrichtungen zurückgegriffen werden. Außerdem ist die für die Durchtränkung des Faserhalbzeugs benötigte Zeit von der Aushärtung im Formwerkzeug entkoppelt, so dass die Werkzeugbelegung effektiver gesteuert werden kann und höhere Zykluszeiten erreicht werden können. Die Reaktivität des Harzmaterials kann optimal auf die Werkzeugtemperatur abgestimmt werden. Ferner wird kein zusätzlicher Binder für das Aufschichten der Faserlagen benötigt, da die Faserlagen, ähnlich wie bei den Prepreg-Pressverfahren, bereits mit Harz durchtränkt sind und die notwendige Klebrigkeit aufweisen. Schließlich können je nach Harztyp auch einfachere Formwerkzeuge verwendet werden, da das Harz nicht unter Druck oder Vakuum eingespritzt werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt so durchgeführt, dass zunächst das trockene Faserhalbzeug auf die gewünschten Bauteilabmessungen zugeschnitten wird. Anschließend wird dann die so erhaltene Faserlage mit Hilfe des Druckverfahrens konturnah, vorzugsweise konturgenau, mit Harz imprägniert.
Von der Erfindung umfasst ist auch ein alternatives Verfahren, bei dem das Faserhalbzeug zuerst in einem Druckverfahren mit einem Harzmuster versehen und das Harzmuster danach aus dem Faserhalbzeug ausgeschnitten wird. Auch nach diesem Verfahren entsteht eine mit Harzmaterial konturnah vorimprägnierte Faserlage mit bauteilspezifischen Abmessungen.
Gegenstand der Erfindung ist somit auch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs, welches die folgenden Schritte umfasst:

a) Imprägnieren eines Faserhalbzeugs mit einem härtbaren Kunstharz unter Verwendung eines Druckverfahrens, wobei ein Harzmuster mit vorbestimmten Abmessungen gebildet wird;
b) Ausschneiden des Harzmusters aus dem imprägnierten Faserhalbzeug unter Bildung einer mit dem härtbaren Kunstharz imprägnierten Faserlage mit vorbestimmten Abmessungen;
c) Aufstapeln der imprägnierten Faserlagen unter Bildung eines Faserlagenpakets;
d) Aushärten des Faserlagenpakets unter Bildung des Faserverbundbauteils.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Faserlagenpaket unter einem vorbestimmtem Druck und einer vorbestimmten Temperatur unter Bildung eines Vorformlings vorgepresst. Damit kann eine sichere Entlüftung der Faserlagen erreicht und die Bauteilqualität erhöht werden. Das Vorlaminieren der Faserlagenpakete unter erhöhtem Druck und bei erhöhter Temperatur ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn Bauteile mit dicken Wandstärken gefertigt oder höhenviskose Harze eingesetzt werden.
Der Faserverbundwerkstoff ist bevorzugt ein Kohlefaserverbundwerkstoff, das heißt, die Fasern des Faserhalbzeugs bestehen aus Kohlefasern. Es können aber auch alle im Leichtbau mit faserverstärkten Kunststoffen bekannten Faserarten eingesetzt werden, insbesondere Glasfasern und Aramidfasern, aber auch Naturfasern wie Hanf-, Jute- und andere Zellulosefasern. Die Verwendung von Hybridwerkstoffen aus einem Gemisch mehrerer Faserarten ist ebenfalls möglich.
Der Faserverbundwerkstoff wird vorzugsweise im Automobilbau eingesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsbereich beschränkt. Beispielsweise kann das Verfahren auch im Luftfahrzeugbau oder dem Bau von Energiekraftanlagen eingesetzt werden.
Als härtbares Kunstharz wird vorzugsweise ein Epoxidharz oder ein Polyurethan verwendet. Je nach Bauteilspezifikationen ist aber auch die Verwendung anderer duroplastischer Harze möglich. Beispiele für solche Harze sind ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze, Phenol-Formaldehydharze, Diallylphthalatharze, (Meth)acrylatharze, und Aminoharze wie Melaminharz und Harnstoffharze.
Das Faserhalbzeug ist vorzugsweise ein Gewebe, ein Gelege, einschließlich von Multiaxialgelegen, ein Gestick, ein Vlies oder eine Fasermatte, oder eine Kombination der genannten Halbzeuge.
Gewebe entstehen durch das Verweben von Endlosfasern, beispielsweise von Rovings.
Als Gelege werden Faserhalbzeuge aus Endlosfasern oder Rovings bezeichnet, in denen die Fasern im Idealfall parallel und gestreckt vorliegen. Im Gelege können die Fasern durch eine Papier- oder Fadenheftung zusammengehalten werden. In Multiaxialgelegen sind die Fasern nicht ausschließlich in der Ebene orientiert, sondern können auch senkrecht zur Laminatebene angeordnet sein.
Gesticke weisen üblicherweise eine komplexe Faserorientierung auf, bei der die einzelnen Rovings in der Laminatebene nicht nur gestreckt vorliegen, sondern auf beliebigen Bahnen verlaufen. Die Rovings werden dabei auf ein Trägermaterial, beispielsweise ein Vlies gestickt und so fixiert.
In Fasermatten liegen meist Kurz- und Langfasern vor, die über ein Bindemittel miteinander verbunden werden.
Vliese werden durch Vernadeln von Langfasern oder Endlosfasern hergestellt. Sie können insbesondere als Oberflächenschichten zur Verbesserung der Bauteilgüte verwendet werden.
Die Verwendung des jeweiligen Faserhalbzeugs ist abhängig von den Bauteilspezifikationen und kann vom Fachmann aufgrund der bestehenden Anforderungen an die Belastbarkeit des Bauteils festgelegt werden.
Das für die Imprägnierung des Faserhalbzeugs verwendete Druckverfahren ist vorzugsweise ein Siebdruckverfahren oder ein Walzendruckverfahren.
Beim Siebdruckverfahren wird das Harz über eine gemusterte Druckschablone, die den Konturen des Bauteils entspricht, auf das Faserhalbzeug oder die bereits zugeschnittene Faserlage aufgetragen, wobei das Muster der Druckschablone bündig auf den Konturen der Faserlage aufliegt.
Das Harz wird vorzugsweise exakt in der für die vollständige Durchtränkung des Halbzeugs oder der Faserlage benötigten Menge zudosiert und mit Hilfe einer Rakel durch die Druckschablone auf die Faserlage gestrichen. Durch den Anpressdruck der Rakel wird das Harz in die Faserstruktur eingepresst und über die in der Struktur wirkenden Kapillarkräfte aufgenommen. Über die Maschenweite der Druckschablone kann die Menge des Harzauftrags weiter gesteuert werden.
Vorzugsweise erfolgt die Imprägnierung des Faserhalbzeugs in einem Flachbett-Siebdruckverfahren, da hier eine besonders einfache Automatisierung der Imprägnierungsstufe erreicht werden kann. Das optional bereits zugeschnittene Faserhalbzeug kann mit Hilfe eines Industrieroboters einfach auf dem flachen und gut zugänglichen Trägerbett der Druckmaschine abgelegt und nach dem Druckvorgang wieder entnommen werden. Die auf dem Faserhalbzeug aufliegende Druckschablone wirkt einer Verschiebung des gegebenenfalls schon zugeschnittenen Faserhalbzeugs durch die Rakel entgegen. Für die Durchführung des Verfahrens kann auf handelsübliche Druckmaschinen zurückgegriffen werden.
Bei Verwendung eines Walzendruckverfahrens wird das optional zugeschnittene Faserhalbzeug vorzugsweise auf einem Trägerband zwischen zwei Druckwalzen geführt und die für die Imprägnierung benötigte Harzmenge wird durch eine Übertragungswalze konturgenau auf eine der Druckwalzen und dann auf das Faserhalbzeug übertragen. Durch den Pressdruck der Druckwalzen erfolgt eine vollständige Durchtränkung des Faserhalbzeugs oder der zugeschnittenen Faserlage bei gleichzeitiger Entlüftung. Die durchtränkte Faserlage kann mit Hilfe eines Roboters vom Trägerband abgenommen und im Formwerkzeug abgelegt werden. Auch das Walzendruckverfahren gestattet somit eine vollständige Automatisierung der Imprägnierungsstufe.
Je nach eingesetzter Harzmatrix kann das im Formwerkzeug aufgeschichtete Faserlagenpaket zum Faserverbundbauteil geformt und beispielsweise im Autoklaven unter erhöhtem Druck und bei erhöhter Temperatur ausgehärtet werden.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, das jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll.
Zunächst wird ein Gelege aus Kohlefaser-Rovings in einer Schneidemaschine auf die für ein Faserverbundbauteil gewünschte Form zugeschnitten. Die Form ist nicht auf bestimmte geometrische Abmessungen beschränkt, sondern richtet sich nach den für das Bauteil bestehenden Spezifikationen.
Durch den Zuschnitt des Kohlefasergeleges entstehen Faserlagen mit vorbestimmten Abmessungen bzw. Konturen. Anschließend wird die Faserlage vorzugsweise unter Verwendung eines Roboters auf dem Trägerbett einer Flachbett-Siebdruckmaschine abgelegt.
Über der Faserlage wird eine Druckschablone angebracht, die ein den Konturen der zugeschnittenen Faserlage entsprechendes Muster aufweist. Das Muster der Druckschablone und die Konturen der Faserlage liegen bündig übereinander. Auf die Druckschablone wird über eine handelsübliche Dosieranlage ein Epoxidharz aufgetragen und mit der Rakel der Siebdruckmaschine durch die Druckschablone konturgenau auf die Faserlage aufgestrichen. Der Anpressdruck der Rakel bewirkt eine Entlüftung und eine vollständige Durchtränkung der Faserlage mit Harzmaterial.
Als Alternative zu dem oben beschriebenen Verfahren ist es auch möglich, das Kohlefasergelege erst in der Druckmaschine unter Bildung eines vorbestimmten Harzmusters zu durchtränken und anschließend die nicht bedruckten und mit Harz durchtränkten Bereiche des Fasergeleges in einer Schneidemaschine abzuschneiden bzw. auszustanzen. Auch bei dieser Verfahrensvariante ist eine automatisierte Fertigung möglich und es fällt kein mit Harz durchtränkter Faserabfall an.
Danach wird die mit Epoxidharz durchtränkte Faserlage mit Hilfe eines Roboters vom Trägerbett der Druckmaschine abgenommen bzw. aus der Schneidemaschine entnommen und in einem Formwerkzeug abgelegt. Dieser Vorgang wird unter Bildung eines Pakets aus imprägnierten Faserlagen solange wiederholt, bis die gewünschte Bauteilstärke erreicht ist.
Anschließend wird das Faserlagenpaket in bekannter Weise entweder unter einem vorbestimmten Druck und bei einer vorbestimmten Temperatur zu einem Vorformling gepresst, der gegebenenfalls auch mit weiteren Faserlagen auflaminiert werden kann, oder das Faserlagenpaket wird direkt unter Bildung des gewünschten Kohlefaserverbundbauteils beispielsweise im Autoklaven ausgehärtet. Die jeweiligen Druck- und Temperaturbedingungen sind im Wesentlichen abhängig von der eingesetzten Harzmatrix und können nach den Spezifikationen der Harzhersteller festgelegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine automatisierte und kostengünstige Fertigung von Faserverbundbauteilen und ist daher insbesondere zur Herstellung von Bauteilen für die Automobilindustrie geeignet.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Zuschneiden eines Faserhalbzeugs unter Bildung einer Faserlage mit vorbestimmten Abmessungen; b) Imprägnieren des Faserlage mit einem härtbaren Kunstharz unter Verwendung eines Druckverfahrens; c) Aufstapeln der imprägnierten Faserlagen unter Bildung eines Faserlagenpakets; d) Aushärten des Faserlagenpakets unter Bildung des Faserverbundbauteils.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Imprägnieren eines Faserhalbzeugs mit einem härtbaren Kunstharz unter Verwendung eines Druckverfahrens, wobei ein Harzmuster mit vorbestimmten Abmessungen gebildet wird; b) Ausschneiden des Harzmusters aus dem imprägnierten Faserhalbzeug unter Bildung einer mit dem härtbaren Kunstharz imprägnierten Faserlage mit vorbestimmten Abmessungen; c) Aufstapeln der imprägnierten Faserlagen unter Bildung eines Faserlagenpakets; d) Aushärten des Faserlagenpakets unter Bildung des Faserverbundbauteils.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserlagenpaket unter einem vorbestimmtem Druck und bei einer vorbestimmten Temperatur unter Bildung eines Vorformlings vorgepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug aus Kohlefasern gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als härtbares Kunstharz ein Epoxidharz oder ein Polyurethan verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug ein Gewebe, ein Gelege, einschließlich von Multiaxialgelegen, ein Gestick, ein Vlies, eine Fasermatte, oder eine Kombination daraus ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverfahren ein Siebdruckverfahren oder ein Walzendruckverfahren ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverfahren ein Flachbett-Siebdruckverfahren ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das härtbare Kunstharz in einer zur vollständigen Imprägnierung der Faserlage abgemessenen Menge eingesetzt wird.