DE102012220979A1

DE102012220979A1 - Flexibilisierung, Stabilisierung und Fixierung von Kohlenstofffasermatten

Info

Publication number: DE102012220979A1
Application number: DE201210220979
Authority: DE
Inventors: Josef Meier; Bernhard Huber; Wolfgang Fischer
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-05-22

Abstract

Flexible Lage (M, M', M'') mit einer regelmäßigen Struktur aus Kohlenstofffasern (10, 11), wobei die Struktur der Kohlenstofffasern (10, 11) mit einem Kunstsoff (20, 21) fixiert ist. Bauteil und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer flexiblen Lage (M, M', M''), die eine regelmäßige Struktur aus Kohlenstofffasern (10, 11) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte hat: Herstellen eines Halbzeugs, das eine flexible Lage (M, M', M'') mit einer regelmäßigen Struktur aus Kohlenstofffasern (10, 11) ist, wobei die Struktur der Kohlenstofffasern (10, 11) mit einem Kunstsoff (20, 21) fixiert wird; b) Weiterverarbeiten des Halbzeugs zur Herstellung des Bauteils.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine flexible Lage mit einer regelmäßigen Struktur aus Kohlenstofffasern, ein Bauteil mit einer solchen flexiblen Lage und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer solchen flexiblen Lage. Die Erfindung kommt insbesondere für Innenausstattungsteile in Fahrzeuginnenräumen zur Anwendung.
STAND DER TECHNIK
Bei flexiblen Lagen aus Kohlenstofffasern, etwa bei Geweben oder Gelegen aus Kohlenstofffasern, verschieben sich bei der Weiterverarbeitung der Lage oft die einzelnen Fäden. So kann es beispielsweise beim Umgießen einer Kohlenstofffaserlage zur Herstellung eines Kunststoffteils zu einer Veränderung der geometrischen Anordnung der einzelnen Kohlenstofffasern kommen. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der optischen und/oder funktionalen Eigenschaften des fertigen Bauteils führen. Beispielsweise können sich Falten in der Kohlenstofffaserlage bilden. Durch Verschiebung einzelner Fasern können sich Zug und Brucheigenschaften der Kohlenstofffaserlage nachteilig ändern.
Funktionale Beeinträchtigungen, insbesondere auf dem hier bevorzugten Gebiet der Fahrzeuginnenräume, können zu schwerwiegenden Problemen führen. Wird beispielsweise im Bereich der Airbagklappe ein mit Kohlenstofffasern verstärkter Kunststoff verwendet, etwa als Scharnier der Airbagklappe, sind Abweichungen des Bauteils von der geplanten, ursprünglich beabsichtigten Materialbeschaffenheit unbedingt zu vermeiden.
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die funktionale und/oder optische Qualität von Bauteilen, die flexible Lagen aus Kohlenstofffasern enthalten, zu erhöhen.
Die Aufgabe wird mit einer flexiblen Lage gemäß Anspruch 1, mit einem Bauteil gemäß Anspruch 7 und einem Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen folgen aus den Unteransprüchen, sowie der allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß wird eine flexible Lage mit einer regelmäßigen Struktur aus Kohlenstofffasern hergestellt, indem die Kohlenstofffasern mit einem Kunststoff fixiert werden. Die erfindungsgemäße flexible Lage ersetzt hierbei beispielsweise herkömmliche Kohlenstofffasermatten, die als Halbzeug an anderer Stelle weiterverarbeitet werden. Die Kohlenstofffasern können gewebt, gelegt, gewirkt oder anderweitig miteinander verbunden sein, sodass eine flexible, lagenförmige, d. h. textile Struktur aus Kohlenstofffasern vorliegt. Diese Struktur wird auch als Matte bezeichnet. Wenn von einer regelmäßigen Struktur der Kohlefasern die Rede ist, dann sind auch solche Strukturen mitumfasst, bei denen mehrere Einzelfasern zu einem Bündel zusammengefasst sind, die wiederrum als Fäden die textile Struktur bilden. Anschließend wird die Kohlenstofffasermatte mit einem Kunststoff gefügt, wodurch die einzelnen Fasern geschützt und gegen Verrutschen fixiert werden. Die Matte kann beispielsweise mit Druck und Temperatur mit einer Elastomerschicht, die vorzugsweise eine Dicke von 0,1 bis 2 mm aufweist, gefügt werden. Die Kohlenstofffasermatte wird dadurch in eine Form gebracht, die für eine qualitätserhaltende Weiterverarbeitung geeignet ist, da deren Urstruktur fixiert und somit stabilisiert ist. Bei einer Weiterverarbeitung der so stabilisierten Kohlenstofffasermatte bleibt die Struktur erhalten. Beispielsweise kann ein Hinterspritzen oder Umspritzen der flexiblen Lage mit einem Kunststoff die Faserstruktur nicht schädigen. Somit kann die Qualität des fertigen Bauteils sichergestellt werden. Die Produktausschussrate wird verringert und Produkteigenschaften des mit der Kohlenstofffasermatte versehenen Bauteils können besser gewährleistet werden. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Einrichtungen, wie beispielsweise bei einer kohlenstofffaserverstärkten Airbagklappe, trägt die vorliegende Erfindung zu einer erheblichen Qualitätsverbesserung bei.
Vorzugsweise ist der Kunststoff ein Elastomer, besonders bevorzugt EPDM oder TPE. Hierbei kann der Kunststoff transparent oder eingefärbt sein, wodurch gegebenenfalls spezielle optische Effekte erzielt werden können. TPE hat sich zur Stabilisierung der Kohlenstofffasermatte als besonders geeignet herausgestellt.
Der Kunststoff kann in Form einer Schicht, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,1 bis 2 mm vorgesehen sein. Es kann wünschenswert sein, dass der Kunststoff die Verformbarkeit der Kunststofffasermatte nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt, damit die flexible Lage so wie eine herkömmliche Kohlenstofffasermatte als Halbzeug weiterverarbeitet werden kann. Wenn die Kohlenstofffasern beispielsweise als Gewebe, Gelege und/oder Gewirke strukturiert sind, kann es wünschenswert sein, die damit festgelegten Zug- und Reißeigenschaften durch die Kunststofffixierung nicht oder nur wenig zu beeinträchtigen.
Der Schichtaufbau kann alternierend sein, etwa in der Form Gewebe-Kunststoff-Gewebe oder auch Kunststoff-Gewebe-Kunststoff. Auch mehrere Schichten aus je einer Kohlenstofffasermatte und ein oder mehreren zugehörigen Kunststofffixierungen können vorgesehen sein.
Bei einer Weiterverarbeitung des oben beschriebenen Halbzeugs aus mindestens einer Kohlenstofffasermatte und mindestens einer Schicht aus Kunststoff, können die so hergestellten flexiblen Lagen hinter- oder umspritzt werden. Dabei geht vorzugsweise die äußere Schicht, beispielsweise das TPE, eine Verbindung mit dem Spritzgussmaterial ein. Alternativ kann der Kunststoff, beispielsweise das Elastomer, als Haftvermittler dienen, wodurch die flexible Lage mit einer oder mehreren anderen Schichten einen Verbund eingehen kann. Im Falle des Um- bzw. Hinterspritzens kann die flexible Lage direkt in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden. Zum Beispiel kann ein Verbund aus TPE, Kohlenstofffasergelege und auf der anderen Seite nochmals TPE in das Spritzgusswerkzeug eingelegt werden. Der Verbund dient dann beispielsweise als Scharnier für einen Airbag, nachdem dieser hinterspritzt wurde. An dieser Stelle sei bemerkt, dass Kohlenstofffasergelege sehr belastbar sind und den bisherigen Aramid-Geweben oft überlegen sind, da diese den auftretenden Kräften gelegentlich nicht standhalten.
Es wurde eine flexible Lage als Halbzeug, ein Bauteil mit einer solchen flexiblen Lage und ein entsprechendes Herstellungsverfahren beschrieben. Bevorzugt findet die vorliegende Erfindung im Bereich des Fahrzeuginterieurs Anwendung, wobei es sich versteht, dass die vorliegende Erfindung auch in anderen Bereichen umgesetzt werden kann, wie beispielsweise im Transportbereich, insbesondere der Luftfahrt und der Schifffahrt, im Möbelbau, in der Haustechnik usw.. Allerdings ist die vorliegende Erfindung für Fahrzeuginnenräume ganz besonders geeignet, da es hier in ausgesprochen hohem Maße auf eine ansprechende Erscheinung über eine lange Lebensdauer bei hoher Herstellungsproduktivität, sowie hoher Qualität ankommt. Darüber hinaus sind weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben erwähnten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen erfolgt hierbei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die 1a bis 1c zeigen verschiedene Schichtstrukturen aus mindestens einem Kohlenstofffasergewebe und mindestens einer Elastomerschicht.
Die 2a und 2b zeigen die Anwendung einer Kohlenstofffasermatte als Scharnier für eine Airbagklappe.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die 1a bis 1c sind Querschnittsansichten durch flexible Sichtverbände M, M', M'', die jeweils aus zumindest einer Kohlenstofffasermatte 10 und einer Elastomerschicht 20 aufgebaut sind. Die geometrische Anordnung der einzelnen Fäden aus Kohlenstofffasern geht aus den Figuren nicht hervor. Zumindest, allerdings, sollte eine als regelmäßig erkennbare Struktur vorhanden sein. Gelege kommen hier ebenso in Frage wie Gewirke oder andere regelmäßige Strukturen, die insgesamt ein flächenartiges, zusammenhängendes, flexibles mattenartiges Gebilde herstellen. Die Kohlenstofffasermatte 10 ist mit Druck und Temperatur mit einer Elastomerschicht 20 gefügt worden. Somit ist die geometrische Struktur der Kohlenstofffasermatte 10, die Urstruktur, fixiert und stabilisiert. Je nachdem ob das so hergestellte Halbzeug zu einem späteren Zeitpunkt sichtbar ist oder nicht, kann das Elastomer 20 entsprechend eingefärbt sein oder gänzlich transparent sein.
Aus den 1b und 1c geht hervor, dass der Schichtaufbau hierbei alternierend vorgesehen sein kann. In der 1b ist ein Aufbau aus einem Gewebe 11, einem Elastomer 20 und einem Gewebe 10 gezeigt. In der 1c ist ein Aufbau aus einem Elastomer 21, einem Gewebe 10 und einem Elastomer 20 gezeigt.
Der so hergestellte flexible Verbund M, M', M'' kann in einem späteren Arbeitsschritt hinter- oder umspritzt werden. Hierbei geht das Elastomer vorzugsweise eine Verbindung mit dem Spritzgussmaterial ein.
Das vorliegende Halbzeug M, M', M'' kommt beispielsweise als Scharnier für einen Airbag in Frage, da die Kohlenstofffasermatte 10, 11 sehr belastbar ist. Ein solcher Airbag ist schematisch in den 2a und 2b gezeigt. Darin sind schematische Querschnittsansichten einer Instrumententafel 1 dargestellt, unter der ein Airbagmodul 3 angeordnet ist. Die Instrumententafel 1 besteht im Wesentlichen aus einem Dekorträger 7 mit einer Schaumschicht 4 und darüber angeordneter Dekorschicht 5. In die Instrumententafel 1 ist oberhalb des Airbagmoduls 3 und seitlich zu diesem versetzt eine Schwächung 6 in den Dekorträger 7 und das Schaummaterial 4 eingebracht, wodurch im Auslösefall eines (nicht gezeigten) Airbags an der Materialschwächung 6 ein Aufreißen der Instrumententafel 1 erfolgt. Um ein vollständiges Abreisen zumindest von Teilen der Instrumententafel 1 zu verhindern, ist zwischen dem Airbagmodul und dem Dekormaterial 5 ein Scharnier in der Form eines oben dargestellten Verbunds M angeordnet. Hier können Verbünde M' oder M'' ebenso zum Einsatz kommen wie die in der allgemeinen Beschreibung der Erfindung dargelegten flexiblen Lagen. Der Verbund M ist mit dem Kunststoff des Dekorträgers 7 zumindest an seiner dem Dekorträger 7 zugewandten Seite umspritzt und besteht im Wesentlichen aus einem Bereich 2a, der formschlüssig mit dem Airbagrahmen 8 verbunden ist, sowie einem Bereich 2b, der mit dem im Auslösefall des (nicht gezeigten) Airbags wegklappenden Bereich der Instrumententafel 1 verbunden ist. Zwischen diesen Bereichen 2a und 2b weist der Verbund M zudem einen im Wesentlichen nicht mit Kunststoff umspritzten Bereich 2c auf, der in 2a in der Form einer Falte oder Schlaufe 9 ausgebildet ist. Die Airbagklappe in 2a erstreckt sich somit im Wesentlichen von der Schlaufe 9 bis zum Schwächungsbereich 6 und klappt im Auslösefall des (nicht gezeigten) Airbags insbesondere unter translatorischer und rotatorischer Bewegung des Bereichs 2c aus der dargestellten Ruhelage um. Die Airbagklappe aus 2b klappt dagegen im Wesentlichen unter einer rein rotatorischen Bewegung un die durch den Bereich 2c vorgegebene Drehachse, die senkrecht in der Darstellungsebene hineinverläuft, um.

Claims

Flexible Lage (M, M', M'') mit zumindest einer regelmäßigen Struktur aus Kohlenstofffasern (10, 11), wobei die Struktur aus Kohlenstofffasern (10, 11) mit einem Kunstsoff (20, 21) fixiert ist.
Flexible Lage (M, M', M'') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (20, 21) ein Elastomer ist, vorzugsweise EPDM oder TPE.
Flexible Lage (M, M', M'') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (20, 21) eine Schicht mit einer Dicke von 0,1 bis 2 mm ausbildet.
Flexible Lage (M, M', M'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff (20, 21) transparent oder teiltransparent ist.
Flexible Lage (M, M', M'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern als Gewebe, Gelege und/oder Gewirke strukturiert sind.
Flexible Lage (M, M', M'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Schichten aus regelmäßig strukturierten Kohlenstofffasern (10, 11) und/oder zugehörigen Kunststofffixierungen (20, 21) vorgesehen sind.
Bauteil, das mindestens eine flexible Lage (M, M', M'') nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Lage (M, M', M'') mit einem Kunststoff (20, 21) umspritzt oder hinterspritzt ist.
Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Interieurteil für einen Fahrzeuginnenraum ist.
Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Airbagklappe oder ein Scharnier für eine Airbagklappe ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer flexiblen Lage (M, M', M''), die eine regelmäßige Struktur aus Kohlenstofffasern (10, 11) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte hat: a) Herstellen eines Halbzeugs, das eine flexible Lage (M, M', M'') mit einer regelmäßigen Struktur aus Kohlenstofffasern (10, 11) ist, wobei die Struktur aus Kohlenstofffasern (10, 11) mit einem Kunstsoff fixiert wird; b) Weiterverarbeiten des Halbzeugs zur Herstellung des Bauteils.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterverarbeitung gemäß Schritt b) ein Umspritzen oder Hinterspritzen der flexiblen Lage (M, M', M'') mit einem Kunststoff (20, 21) umfasst.