DE102013003538A1

DE102013003538A1 - Bauteil mit einer Kernstruktur und einer aus faserverstärktem Kunststoff gebildeten Deckschicht, sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013003538A1
Application number: DE201310003538
Authority: DE
Inventors: Wojciech Brymerski; Markus Thurmeier
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-03-02
Filing date: 2013-03-02
Publication date: 2014-09-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (100) mit einer Kernstruktur (130) und wenigstens einer darauf angeordneten aus faserverstärktem Kunststoff gebildeten Deckschicht (110, 120), umfassend folgende Schritte: – Bereistellen einer fertig hergestellten Kernstruktur (130); und – Aufbringen der Deckschicht (110, 120) durch Auflaminieren eines unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Bandmaterials (M) auf die Kernstruktur. Die Erfindung betrifft ferner ein mit diesem Verfahren hergestelltes Bauteil (100), wobei es sich insbesondere um ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug handelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, welches eine Kernstruktur und wenigstens eine darauf angeordnete, aus faserverstärktem Kunststoff gebildete, Deckschicht bzw. Decklage aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein mit diesem Verfahren hergestelltes Bauteil. Insbesondere handelt es sich um ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug.
Die DE 10 2011 013 131 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bestehend aus einem Organoblech (aus endlosfaserverstärktem thermoplastischen Kunststoff gebildetes Halbzeug) mit einer aus Kunststoff bestehenden Rippenstruktur, wobei das Organoblech in eine Spritzgussform eingelegt wird und darauffolgend bei geschlossener Spritzgussform die Rippenstruktur auf die entsprechenden vorerhitzten Stellen des Organoblechs aufgetragen wird.
Diese übliche Verfahrensweise geht mit diversen Nachteilen einher. Vor oder nach dem Spritzgießen der Kernstruktur wird das Organoblech auf Bauteilkontur beschnitten. Dadurch entsteht ein teurer Verschnitt. Beim Spritzgießen tritt oft ein komplexer und undefinierter Füllvorgang der Spritzgussform auf, da die Kunststoffschmelze das Organoblech durchdringen oder in Spalte zwischen Kavität und Organoblech eindringen kann. Schwankende Prozessführung beim Spritzgießen (undefinierte Massedosierung und Druckverteilung) und unterschiedliche Bauteilqualitäten (z. B. starker Verzug) sind häufig die Folge. Dies ist keine abschließende Aufzählung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren eingangs genannter Art anzugeben, dass wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes erfindungsgemäßes Bauteil. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

– Bereistellen einer fertig hergestellten Kernstruktur; und
– Aufbringen wenigstens einer Deckschicht bzw. Decklage durch Auflaminieren eines unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Bandmaterials auf die Kernstruktur.

Bei der bereitgestellten Kernstruktur kann es sich um eine, insbesondere aus Kunststoff bestehende, Rippen-, Waben- oder Schaumstruktur handeln. Bei dem unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Bandmaterial (im Folgenden auch nur als Bandmaterial bezeichnet) handelt es sich insbesondere um ein Prepregmaterial, bei dem die Fasern ausschließlich als unidirektionale Schicht vorliegen. (Ein solches Material wird auch als UD-Tape bezeichnet.) Ein Prepregmaterial ist insbesondere ein Halbzeug, das aus Fasern und insbesondere aus Endlosfasern und einer Kunststoffmatrix besteht, wobei es sich im Rahmen der Erfindung um eine thermoplastische Kunststoffmatrix handelt. Die Breite des insbesondere auf Rollen angelieferten Bandmaterials (UD-Tape) kann im Bereich von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Metern liegen.
Das Bandmaterial kann nur bereichsweise auf die Kernstruktur aufgebracht werden, bspw. dort, wo es im Hinblick auf die zu erzielenden Bauteileigenschaften (bspw. abhängig von Kraftflussanforderungen) erforderlich ist. Zur Herstellung eines Sandwichbauteils kann das Bandmaterial auch vollflächig und insbesondere die Kernstruktur im Wesentlichen vollständig umschließend aufgebracht werden. Das Aufbringen des Bandmaterials erfolgt durch Auflaminieren. Unter Auflaminieren wird insbesondere das Auftragen unter Wärme- und/oder Druckeinwirkung verstanden, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Bandmaterial und der Kernstruktur herbeigeführt wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Kernstruktur vorausgehend durch Spritzgießen, Fließpressen, insbesondere Thermoplastfließpressen, oder Schäumen, insbesondere physikalisches Schäumen (bspw. im MuCell-Verfahren) oder chemisches Schäumen, hergestellt wird. Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass das Bandmaterial anschließend auf die noch Herstellungswärme aufweisende Kernstruktur aufgebracht wird. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Bandmaterial vor dem Aufbringen oder beim Aufbringen erwärmt wird. Dies kann durch jede geeignete Heizeinrichtung, bspw. auch mit einem Laserstrahl, erfolgen.
Bevorzugt ist auch vorgesehen, dass das Bandmaterial beim Aufbringen auf die Kernstruktur mit (wenigstens) einer Andrückeinrichtung formfolgend an die Kernstruktur angedrückt wird. Das Andrücken kann bspw. manuell oder automatisiert mit einer Andrückwalze oder dergleichen erfolgen.
Ferner kann die Kernstruktur zusammen mit dem aufgebrachten Bandmaterial in einem Presswerkzeug, mit entsprechend ausgebildeter Kavität, konsolidiert werden. Beim Konsolidieren wird unter Temperatur- und/oder Druckeinwirkung eine dauerhafte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem aufgebrachten Bandmaterial bzw. der aufgetragenen Deckschicht und der Kernstruktur herbeigeführt.
Das Bandmaterial kann in mehreren Lagen auf die Kernstruktur aufgebracht werden. Die im Bandmaterial enthaltenen Fasern können hierbei undirektional oder multidirektional ausgerichtet werden. Ferner kann unterschiedliches Bandmaterial, insbesondere auch mit unterschiedlichen Fasern, verwendet werden. Bei den im Bandmaterial enthaltenen Fasern handelt es sich insbesondere um Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern. Ebenso kann es sich auch um andere Fasern, wie bspw. Natur-, Mineral- oder Metallfasern, handeln. Bevorzug handelt es sich um Endlosfasern.
Die Erfindung ermöglicht die konventionelle und reproduzierbare Herstellung der Kernstruktur mit bewährten Verfahren, ohne schwankende Prozessführung. Durch den Einsatz von unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Bandmaterial (UD-Tape) kann eine im Wesentlichen verschnittfreie Fertigung erreicht werden. Dadurch werden, insbesondere beim Einsatz von Kohlenstofffasern, Material- und Werkzeugkosten eingespart. Dies ist keine abschließende Aufzählung von Vorteilen, die mit der Erfindung einhergehen.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil, welches mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, weist eine, insbesondere aus Kunststoff gebildete, Kernstruktur und wenigstens eine darauf angeordnete, aus faserverstärktem Kunststoff gebildete, Deckschicht auf. Bevorzugt handelt es sich um ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug, wie bspw. ein Bodenteil, ein Stirnwandteil, ein Rückwandteil oder dergleichen. Bei dem Bauteil kann es sich auch um ein nicht-erzeugnisgebundenes Bauteil handeln. Ein nicht-erzeugnisgebundenes Bauteil ist bspw. ein zu einer Fertigungsvorrichtung gehörendes Bauteil (Maschinenteil).
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich um ein Sandwichbauteil handelt. Ein Sandwichbauteil weist wenigstens zwei sich im Wesentlichen gegenüberliegende Deckschichten bzw. Decklagen und eine dazwischen befindliche Kernstruktur (Sandwichkern) auf, die dauerhaft miteinander verbunden sind. Solche Bauteile erlangen im Zuge des zunehmenden Leichtbaus bei Kraftfahrzeugen steigende Bedeutung.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise anhand einer schematischen Figur näher erläutert. Die in der Figur gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
1 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Sandwichbauteils.
1f zeigt ein Sandwichbauteil 100, das zwei sich gegenüberliegende Deckschichten 110 und 120 und eine dazwischen befindliche Kernstruktur (Sandwichkern) 130 umfasst. Bei der Kernstruktur 130 handelt es sich um eine aus Kunststoff gebildete Wabenstruktur, wie aus 1b und 1d ersichtlich. Die Deckschichten bzw. Decklagen 110 und 120 sind aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet, wie nachfolgend noch näher erläutert. Das Bauteil 100 kann abweichend von der gezeigten Darstellung eine komplexe räumliche Formgebung aufweisen.
Nachfolgend wird die Herstellung des Bauteils 100 erläutert, wobei nicht alle erläuterten Verfahrensschritte und Merkmale zwingende Bestandteile der beanspruchten Erfindung sind.
1a zeigt die Herstellung der in 1b gezeigten wabenartigen Kernstruktur 130. Die Herstellung erfolgt in an und für sich bekannter Weise in einem Spritzgusswerkzeug 200. Alternativ kann die Kernstruktur 130 bspw. auch durch Fließpressen oder Schäumen hergestellt werden, wie obenstehend bereits erläutert.
Auf die durch Spritzgießen hergestellte Kernstruktur 130 werden nachfolgend die Deckschichten 110 und 120 durch Auflaminieren eines unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Bandmaterials aufgebracht. Dies erfolgt in der in 1c gezeigten Vorrichtung 300. Das Bandmaterial M ist ein so genanntes UD-Tape, wobei es sich um ein dünnwandiges und flächiges Halbzeug aus einem vollständig imprägnierten Prepregmaterial mit thermoplastischer Matrix handelt, bei dem die enthaltenen Fasern (insbesondere Kohlenstoff- und/oder Glasfasern) ausschließlich als unidirektionale Schicht vorliegen. Bei den Fasern handelt es sich insbesondere um Endlosfasern.
Das auf Rollen 310 und 320 bereitgestellte Bandmaterial M wird nach dem Abrollen zunächst mit Hilfe der Heizeinrichtungen (Infrarot-Strahler) 330 und 340 erwärmt, wobei die thermoplastische Kunststoffmatrix insbesondere in einen breiigen Zustand überführt wird, und dann gleichzeitig von beiden Seiten auf die Kernstruktur 130 aufgelegt und mit Hilfe der walzenartigen Andrückeinrichtungen 350 und 360, insbesondere gleichzeitig, an die Kernstruktur 130 angedrückt (was durch die Pfeile F veranschaulicht ist). Dieser Vorgang kann als Tapelegeprozess bezeichnet werden. Gegebenenfalls kann hierbei eine in der Kernstruktur 130 noch vorhandene Herstellungswärme aus dem Spritzgießprozess (siehe 1a) genutzt werden.
Das Bandmaterial M wird in Form von einzelnen Streifen auf die Kernstruktur 130 aufgebracht, wie in 1d gezeigt. Hierbei fällt im Wesentlichen kein Verschnitt an. Gegebenenfalls wird das Bandmaterial M in mehreren Schichten aufgebracht, wie obenstehend bereits erläutert. Der gesamte Tapelegeprozess (Vorgang des Aufbringens des Bandmaterials M) kann manuell, teilautomatisiert oder vollautomatisiert erfolgen. Die Vorrichtung 300 ist entsprechend ausgebildet.
Die Kernstruktur 130 kann zusammen mit dem aufgebrachten Bandmaterial M in einem Presswerkzeug 400 konsolidiert werden, wie in 1e gezeigt. Das Presswerkzeug 400 weist eine Kavität 410 auf, in der unter Wärme- und/oder Druckzuführung bzw. Temperatur- und/oder Druckeinwirkung (p/T) die Konsolidierung erfolgt, wie obenstehend erläutert. Die Konsolidierung im Presswerkzeug 400 kann das Erwärmen und/oder Andrücken des Bandmaterials M in der Vorrichtung 300 ersetzen oder die in der Vorrichtung 300 herbeigeführte Verbindung zwischen dem Bandmaterial M und der Kernstruktur 130 verbessern.
In analoger Weise kann auch ein Bauteil 100 hergestellt werden, dass nur bereichsweise mit einer Deckschicht versehen ist oder eine im Wesentlichen vollständig umschließende Deckschicht aufweist.
Die vorausgehend erläuterten Schritte können manuell, teilautomatisiert oder vollautomatisiert ausgeführt werden. Ferner kann die beschriebene Verfahrensweise weitere, hierin nicht näher erläuterte, Schritte oder Zwischenschritte umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011013131 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (100), wobei es sich insbesondere um ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug handelt, mit einer Kernstruktur (130) und wenigstens einer darauf angeordneten aus faserverstärktem Kunststoff gebildeten Deckschicht (110, 120), umfassend folgende Schritte: – Bereistellen einer fertig hergestellten Kernstruktur (130); und – Aufbringen der Deckschicht (110, 120) durch Auflaminieren eines unidirektional faserverstärkten thermoplastischen Bandmaterials (M) auf die Kernstruktur.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorausgehend die Kernstruktur (130) durch Spritzgießen, Fließpressen oder Schäumen eines Kunststoffmaterials hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandmaterial (M) auf die noch Herstellungswärme aufweisende Kernstruktur (130) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandmaterial (M) vor dem Aufbringen oder beim Aufbringen erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandmaterial (M) beim Aufbringen mit einer Andrückeinrichtung (330, 340) formfolgend an die Kernstruktur (130) angedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstruktur (130) zusammen mit dem aufgebrachten Bandmaterial (M) in einem Presswerkzeug (400) konsolidiert wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandmaterial (M) in mehreren Lagen auf die Kernstruktur (130) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den im Bandmaterial (M) enthaltenen Fasern um Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern handelt.
Bauteil (100), wobei es sich insbesondere um ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug handelt, mit einer, insbesondere aus Kunststoff gebildeten, Kernstruktur (130) und wenigstens einer darauf angeordneten, aus faserverstärktem Kunststoff gebildeten, Deckschicht (110, 120), hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche.
Bauteil (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Sandwichbauteil handelt.