DE102012206384A1

DE102012206384A1 - Faser-Flechtprofil

Info

Publication number: DE102012206384A1
Application number: DE201210206384
Authority: DE
Inventors: Michael Schillinger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-04-18
Filing date: 2012-04-18
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: DE102012206384B4

Abstract

Faser-Flechtprofil zur Herstellung eines kohlenfaserverstärkten Kunststoffteils mit Stehfäden und einer Vielzahl von Flechtfäden, die miteinander verflochten sind, wobei die Stehfäden und die Vielzahl von Flechtfäden zumindest teilweise aus Recycling-Kohlenstofffasern gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faser-Flechtprofil zur Herstellung eines kohlenfaserverstärkten Kunststoffteils mit Stehfäden und einer Vielzahl von Flechtfäden, die miteinander verflochten sind.
Kohlefaserverstärkte Kunststoffteile werden neben der Luftfahrt auch im Automobilbau immer wichtiger. Derartige Teile sind belastbar, äußerst leicht und je nach Ausrichtung der Fasern zug- und biegefest. Auch Umwelteinflüsse wie Hitze, Kälte oder Feuchtigkeit beeinträchtigen die kohlefaserverstärkten Kunststoffteile (CFK-Teile) nicht.
Für die Verarbeitung werden die Kohlefasern in das Format von Strängen, den sogenannten Rovings, gebracht und auf Spulen aufgerollt geliefert. Derartige Rovings fassen Faserstänge mit 1.000 (1 k) bis 50.000 (50 k) Einzelfasern, die als Endlosfasern bereitgestellt werden.
Flecht- oder Litzenbauteile werden bisher ausschließlich durch derartige Endlosfasern hergestellt, wobei Kohle-, Aramid- oder Glasfasern getrennt oder gemischt eingesetzt werden. Bei einem gemischten Bauteil werden Glasfasern als Flechtfäden und Kohlefasern als Stehfäden verwendet. Dabei ist problematisch, dass die Flechtbauteile nur aus den Standardvarianten der Fasern hergestellt werden können. Die Leistungsfähigkeit derartiger Bauteile ist somit stark eingeschränkt. Zudem sind Endlosfasern sehr teuer, so dass zu der aufwendigen Fertigung noch hohe Materialkosten hinzukommen. Ebenfalls nachteilig ist, dass die Standardvarianten der Endlosfasern die Funktionalität der Herstellungsprozesse und damit auch die der Bauteile beschränken.
Gemäß der Erfindung wird vorgesehen, die Stehfäden und die Vielzahl von Flechtfäden zumindest teilweise aus Recycling-Kohlenstofffasern zu bilden. Grundsätzlich ist bereits bekannt, Recycling-Kohlenstofffasern wieder zu verwenden, jedoch ist gegenüber dem Stand der Technik neu, diese in Faser-Flechtprofile durch Flechtverfahren zu integrieren. Als Recycling-Kohlenstofffasern gelten erfindungsgemäß alle bei Herstellungsprozessen von CFK-Teilen anfallenden und entsprechend aufbereitete Reste der Endlosfasern.
Anstelle der teuren Endlos-Kohlestofffasern können somit Recycling-Kohlestofffasern verwendet werden und ihr Anteil innerhalb des gesamten Faser-Flechtprofils auf die benötigte Leistungsfähigkeit des späteren CFK-Bauteils eingestellt werden. Es ist weiterhin möglich, neben den Kohlenstofffasern auch Aramid-, Glas- oder Kunststofffasern mit einzuflechten, um zum einen die Kosten zu reduzieren und zum anderen in Bereichen des Bauteils, bei denen die Belastungen geringer sind, die Eigenschaften über das Fasermaterial anzupassen.
Bisher ist zwar bekannt, als Stehfäden Kohlenstofffasern zu verwenden, die Flechtfäden wurden jedoch aus Glas-, Aramid- oder Kunststofffasern gebildet, da die Verwendung von Carbonfasern viel zu teuer wäre. Durch den Einsatz von Recycling-Kohlenstofffasern können diese Kosten reduziert werden, sodass sowohl Stehfäden als auch Flechtfäden aus Kohlenstoff (Carbon) gebildet sein können. Die erzielbaren Flächengewichte des Faser-Flechtprofils können dadurch auf die geforderte Bauteileigenschaft hinsichtlich Steifigkeit, Festigkeit, Torsionsfestigkeit, Minimalgewicht, Splittereigenschaft, Reißfestigkeit und Crashoptimierung speziell eingestellt werden.
Erfindungsgemäß ist nicht ausgeschlossen, dass weiterhin Endlos-Kohlenstofffasern als Stehfäden mit Recycling-Kohlenstofffasern als Flechtfäden eingesetzt werden. Dabei kann ferner vorgesehen werden, die Stehfäden teilweise auch aus Recycling-Kohlenstofffasern zu bilden. Ein weiterer besonderer Vorteil eines derartigen Faser-Flechtprofils liegt darin, dass weiterhin die am Markt verfügbaren oder bereits angeschafften Serien-Flechtanlagen zur Produktion der CFK-Bauteile verwendet werden können.
Bisher wurde das recycelte Carbonfasermaterial zu einem Carbonfaserflies verarbeitet und an Stellen verwendet, bei denen die Anforderungen hinsichtlich der Parameter Steifigkeit, Festigkeit, Torsionsfestigkeit, Minimalgewicht, Splittereigenschaft, Reißfestigkeit und Crashoptimierung geringer waren. Durch die Verwendung im Faser-Flechtprofil können die bei der Produktion der Carbonfaserbauteile anfallenden Recyclingfasern wieder in einer Primärstruktur angewendet werden, wodurch die Nachhaltigkeit gesteigert wird.
Als Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Faser-Flechtprofils sind Faserstränge der Stehfäden mit einer Stärke von kleiner als 50 k und/oder Faserstränge der Flechtfäden mit einer Stärke als kleiner als 20 k gebildet. Die teuren 50 k Carbonfaserstränge der Endlosfasern müssen bei dem erfindungsgemäßen Faser-Flechtprofil nicht verwendet werden, sodass die Kosten des Bauteils deutlich reduziert werden.
Auch ist es möglich, dass mehrere Lagen des Faser-Flechtprofils übereinander geordnet sind, um das später entstehende CFK-Bauteil in bestimmten Bereichen zu verstärken. Durch die deutlich kostengünstigeren Recycling-Kohlenstofffasern können mehrere Lagen übereinander verwendet werden, wobei das Bauteil immer noch kostengünstiger ist als wenn nur eine Lage mit Endlosfasern gebildet würde. Auch gibt es Bauteile, bei der die Verwendung von 50 k-Endlosfasern ausgeschlossen ist, da deren Durchmesser (ca. 7–8 mm) zu groß ist, um die filigranen Bauteile bilden zu können.
Bei der Herstellung des Faser-Flechtprofils können sowohl die Stehfäden als auch die Vielzahl Flechtfäden auf einen Kern geflochten werden, der die spätere Bauteilgeometrie vorgibt. Als Flechtverfahren bieten sich das Flechten, Litzenflechten oder Bandweben an.
Andere vorteilhafte Weiterbildung ist in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend mit der Beschreibung bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein Faser-Flechtprofil; und
2 ein auf einen Kern geflochtenes Faser-Flechtprofil.
Die Figuren zeigen das erfindungsgemäße Faser-Flechtprofil beispielhaft schematisch, wobei in allen Figuren gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.
In 1 ist ein Faser-Flechtprofil 1 in einer Draufsicht dargestellt, wobei im Flechtverfahren eine Vielzahl von Flechtfäden 3 miteinander verflochten sind. In Längsrichtung erstrecken sich parallel mehrere Stehfäden 2, deren Durchmesser mindestens doppelt so groß ist wie derjenige der Flechtfäden 3. Die Flechtfäden 3 sind nicht nur miteinander, sondern auch mit den Stehfäden 2 verflochten. Sowohl die Flechtfäden 3 als auch die Stehfäden 2 sind aus Recycling-Kohlenstofffasern gebildet, wobei als Stehfäden 2 zumindest teilweise auch die aus dem Stand der Technik bekannten Endlos-Kohlenstofffasern verwendet werden können. Die Flechtfäden 3 weisen eine Stärke von kleiner als 20 k, die Faserstränge der Stehfäden 2 eine Stärke von kleiner als 50 k auf.
In 2 ist perspektivisch dargestellt, wie das Faser-Flechtprofil aus 1 auf eine Kern 4 geflochten ist, wobei das Bauteil anschließend im RTM-Verfahren zum letztlichen CFK-Bauteil gebildet wird.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Faser-Flechtprofil zur Herstellung eines kohlenfaserverstärkten Kunststoffteils mit Stehfäden (2) und einer Vielzahl von Flechtfäden (3), die miteinander verflochten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stehfäden (2) und die Vielzahl von Flechtfäden (3) zumindest teilweise aus Recycling-Kohlenstofffasern gebildet sind.
Faser-Flechtprofil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stehfaden (2) eine Endlos-Kohlenstofffaser ist.
Faser-Flechtprofil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Faserstränge der Stehfäden (2) eine Stärke kleiner 50 k aufweisen.
Faser-Flechtprofil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Faserstränge der Flechtfäden (3) eine Stärke kleiner 20 k aufweisen.
Faser-Flechtprofil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lagen des Faser-Flechtprofils übereinander angeordnet sind.
Faser-Flechtprofil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Glas-, Aramid- und/oder Kunststofffasern als Stehfäden (2) und/oder Flechtfäden (3) verflochten sind.
Faser-Flechtprofil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stehfäden (2) und die Vielzahl von Flechtfäden (3) auf einen Kern (4) geflochten sind.
Faser-Flechtprofil nach zumindest dem vorigen Anspruch, hergestellt durch das RTM-Verfahren während die Steh- und Flechtfäden auf den Kern (4) geflochten sind.
Faser-Flechtprofil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Flechten, Litzenflechten oder Bandweben gefertigt ist.
CFK-Bauteil hergestellt mit einem Faser-Flechtprofil nach zumindest einem der vorigen Ansprüche.