DE102013005539A1

DE102013005539A1 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102013005539A1
Application number: DE201310005539
Authority: DE
Inventors: Simon Brack; Eberhard Stockinger; Till Zimmermann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-03-30
Filing date: 2013-03-30
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs (10) für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, mit den Schritten: Beaufschlagen von Fasermatten (12) mit einem Harz (20) und Zuführen und zu einer Walzeinrichtung (18); Umschließen der mit dem Harz beaufschlagten Fasermatten mit Folie (22); Verpressen der mit dem Harz (20) beaufschlagten und mit der Folie (22) umschlossenen Fasermatten (12) mittels der Walzeinrichtung (18); wobei nach dem Verpressen die Folie (22) an den Längsseiten der Fasermatten (12) verschweißt und anschließend die mit dem Harz (20) durchtränkte Fasermatte (12) evakuiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 1.
Ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile ist das RTM (resin transfer molding) Verfahren. Dabei wird zunächst ein als Fasermatte ausgebildetes Halbzeug (sogenanntes Preform) in einen Hohlraum eines Formwerkzeugs eingelegt; anschließend wird in den Hohlraum des Formwerkzeugs ein Harzsystem injiziert, das das Preform tränkt und anschließend durch eine chemische Reaktion ausgehärtet wird. Bei komplex geformten Bauteilen stellt dabei die gleichmäßige Durchtränkung des gesamten Preforms in allen Raumrichtungen eine große Herausforderung dar. Zusätzlich muss das Harzsystem während der Preformpenetration niederviskos sein, um anschließend sofort auszureagieren. Diese beiden gegenläufigen Anforderungen sind nur schwer in Einklang zu bringen.
Die EP 2 170 587 B1 offenbart ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Faser-Kunststoff-Verbundbauteils. Dabei wir zunächst ein Harzfilm auf ein als Fasermattenzuschnitt ausgebildetes Halbzeug aufgelegt und unter Temperatur- und Druckeinwirkung mit dem Fasermattenzuschnitt verpresst. Anschließend wird das mit Harz durchsetzte Halbzeug auf einer Prepregschicht aus geraden Fasern entsprechend der gewünschten Form des Endproduktes angeordnet, und das Harz wird polymerisiert, um das gewünschte Bauteil zu erhalten. Nachteilig bei einem Verfahren gemäß der EP 2 170 587 B1 sind lange Zykluszeiten und ein unter Umständen nicht durchgängig gleichmäßig mit Harz durchsetztes Halbzeug bzw. Faser-Kunststoffbauteil.
In der DE 10 2006 057 603 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von harzbeschichteten und/oder harzgetränkten Fasergebilden beschrieben. Ein Ausgangsfasergebilde wird kontinuierlich durch eine Vorrichtung geführt und an einer ersten Aufladungsstation elektrostatisch aufgeladen. Harzpartikel, welche insbesondere in Pulverform vorliegen, werden mit einem entgegengesetzten Ladungsvorzeichen an einer zweiten Aufladungsstation elektrostatisch aufgeladen. Diese aufgeladenen Harzpartikel werden auf das aufgeladene Ausgangsfasergebilde gesprüht. Die Harzpartikel belegen dabei aufgrund der elektrostatischen Anziehungskraft das Ausgangsfasergebilde. Anschließend wird das aufgesprühte Harz in einer Heizstation aufgeschmolzen, wodurch das Fasergebilde mit dem Harz beschichtet und zumindest teilweise umhüllt wird. Auch dieses Verfahren hat den Nachteil langer Zykluszeiten und einer aufwändigen Anlagentechnik gekennzeichnet.
Schließlich ist der DE 100 35 237 C1 ist ein Verfahren und eine Produktionsanlage zum Herstellen von fasermattenverstärkten Kunststoffteilen zu entnehmen. Als Fasermatten ausgebildete Halbzeuge werden in eine Matrize eines Formwerkzeugs eingelegt und mit einem Matrixharz flächendeckend eingesprüht. Anschließend wird das Formwerkzeug geschlossen und erhitzt, wobei unter Wärmeeinwirkung das Faserverbundteil aushärtet und danach aus dem Formwerkzeug entnommen wird. Bei diesem Verfahren besteht das Problem, dass ein mit feuchtem Harz benetztes Halbzeug in der Matrize des Formwerkzeugs drapiert werden muss. Eine Handhabung eines solchen feuchten Halbzeuges ist aufwändig, weiterhin besteht das Risiko einer Verschmutzung des Formwerkzeugs und/oder des feuchten Halbzeuges.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellverfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem eine verbesserte Handhabung und Bauteilqualität von Faserverbundhalbzeugen erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dabei wird zunächst eine Fasermatte mit einem Harz beaufschlagt und anschließend mit Folie umschlossen. Anschließend wir die mit Harz beaufschlagte und mit der Folie umschlossene Fasermatte in einer Wälzeinrichtung verpresst. Nach dem Verpressen werden die Folien randseitig verschweißt und anschließend der Innenraum des auf diese Weise entstehenden geschlossenen Folienbeutels, der die mit dem Harz durchtränkte Fasermatte enthält, evakuiert. Dadurch kann eine verbesserte Harzdurchtränkung der Fasermatte erfolgen, wobei zudem durch die Evakuierung überschüssige Luft aus der mit dem Harz durchtränkten Fasermatte entfernt werden kann. Auf diese Weise können mittels des erfindungsmäßen, kontinuierlichen Imprägnierverfahrens bessere Bauteilqualitäten mit weniger Lufteinschlüssen erzielt werden. Durch das Vorsehen der Folie ergibt sich außerdem ein vereinfachtes automatisierbares Handling der Faserverbundhalbzeuge, wobei aus den erfindungsgemäß behandelten Fasermatten entsprechend hergestellte Faserverbundhalbzeuge, beispielsweise in Form von Gelegematten und dergleichen, einfacher zugeschnitten werden können. Zudem wird ein Verrutschen einzelner Lagen innerhalb des Faserverbundhalbzeugs verhindert werden. Die in Folien verpackten Faserverbundhalbzeuge lassen sich somit wesentlich einfacher transportieren, lagern und zuschneiden. Im Unterschied zu einem Resin-Transfer-Moulding-Verfahren, bei dem üblicherweise Fasermatten in eine Werkzeug eingelegt und im Werkzeug mit einem initiierten Harz getränkt werden, wird das als Fasermatte ausgebildete Faserverbundhalbzeug also bereits vor dem Einlegen in das entsprechende Werkzeug mit dem Harz imprägniert, so dass im Werkzeug nur noch eine Durchdringung in einer einzigen Richtung erfolgen muss.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die in Folie eingeschweißten und evakuierten Fasermatten mittels einer Trennungseinrichtung zu den jeweiligen Faserverbundhalbzeugen zurechtgeschnitten werden, welche im Wesentlichen die Länge des jeweils herzustellenden Faserverbundbauteils aufweisen. Vorzugsweise erfolgt das Zuschneiden dabei erst nach einem Abkühlen der evakuierten Fasermatten auf eine vorgegebene Temperatur, bei der das Harz eine hohe Viskosität aufweist. Somit können auf besonders einfache Weise aus den kontinuierlich hergestellten Fasermatten jeweils die passenden Längenabmaße aufweisende Faserverbundhalbzeuge hergestellt werden. Dadurch, dass der Zuschnitt vorzugsweise erst im abgekühltem Zustand erfolgt, kann ein Harzaustritt aus der Fasermatte entsprechend minimiert werden, beispielsweise indem das Zuschneiden erst unmittelbar vor dem Einlegen in ein entsprechendes Werkzeug erfolgt, mittels welchem das Faserverbundhalbzeug zum fertigen Faserverbundbauteilen umgeformt und das Harz ausgehärtet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass als Folie eine Folie mit einer strukturierten Oberfläche eingesetzt wird. Dadurch ist es möglich, diese Strukturen auf die Oberfläche des mittels des Faserverbundhalbzeugs herzustellenden Faserverbundbauteils aufzuprägen. Somit können am fertigen Bauteil sehr einfach Funktionsflächen, z. B. in Form von Klebeflächen mit einer rauen Oberfläche, erzeugt werden, ohne dass diese Struktur in eine entsprechende Werkzeugkavität eingearbeitet werden muss. Das Werkzeug bestimmt somit die Bauteilgeometrie bzw. die Makrogeometrie des Bauteils, wobei die Bauteiloberfläche durch die Folie bestimmt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass einzelne Lagen der Fasermatte vor ihrer Zuführung zu der Walzeinrichtung aneinander vorfixiert werden, insbesondere mittels eines Binders und/oder durch Vernähen. Dadurch wird ein Verrutschen der einzelnen Lagen der Fasermatten bei der Zuführung zu der Walzeinrichtung verhindert, wodurch die Bauteilqualität verbessert werden kann.
Schließlich ist es in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Folie erst nach der Herstellung des Verbundbauteils von diesem entfernt wird. Mit anderen Worten verbleibt die Folie während des gesamten Handlings und des nachfolgenden Umform- und Aushärteprozesses an dem Faserverbundhalbzeug und wird erst nach dem Aushärtevorgang des fertig hergestellten Verbundbauteils von diesem entfernt. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Handhabung der Faserverbundhalbzeuge.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert, in welcher ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs dargestellt ist.
In der einzigen Figur ist in einer schematischen Darstellung eine nicht näher bezeichnete Anlage zum Herstellen von Faserverbundhalbzeugen 10 dargestellt. Aus den Faserverbundhalbzeugen 10 werden, beispielsweise mittels eines Presswerkzeugs oder Umformwerkzeugs jeweilige hier nicht dargestellte faserverstärkte Kunststoffbauteile hergestellt.
Fasermatten 12 in Form von Endlosfasergelegen, beispielsweise aus Carbonfasern, werden kontinuierlich einer Walzeinrichtung 18 zugeführt, die zwei Imprägnierwalzen 16 aufweist. Die zugeführten Fasermatten 12 können auch aus anderen Materialien, wie beispielsweise Glasfasern, Aramidfasern oder anderen Fasern hergestellt sein. Die Fasermatten 12 können dabei als Endlosfasern, zum Beispiel in Form Gelegen, Geweben oder unidirektionalen Faserrovings zugeführt werden.
Die Fasermatten 12 können aus einer oder aus mehreren Lagen bestehen. Bei mehrlagigen Fasermatten 12 können die einzelnen Lagen aneinander vorfixiert werden, beispielsweise indem ein entsprechender Binder aufgetragen oder die einzelnen Lagen miteinander vernäht werden. Dadurch wird ein unerwünschtes Verrutschen der einzelnen Lagen der Fasermatten 12 zueinander verhindert.
Die einzelnen Fasermatten 12 werden während ihrer Zuführung zu der Walzeinrichtung 18 mit einem Harz beaufschlagt, welches in der Figur mit dem Pfeil 20 symbolisiert ist. Die mit dem Harz 20 beaufschlagten Fasermatten 12 werden vor Erreichen der Walzeinrichtung 18 oberseitig und unterseitig mit einer Folie 22 versehen bzw. umschlossen, welche mittels entsprechender Fördereinrichtungen 14 zugeführt wird.
Die mit dem Harz 20 beaufschlagten und mit der Folie 22 umschlossenen Fasermatten 12 werden anschließend der Walzeinrichtung 18 zugeführt, in welcher diese zwischen den Imprägnierwalzen 16 hindurchbefördert und dabei verpresst werden. Die einzelnen Fasern der Fasermatten 12 werden dabei mit dem Harz 20 durchtränkt, wobei überschüssiges Harz und Luft an den Längsseiten der Fasermatten herausgedrückt werden kann, da die Folien 22 dort offen sind.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird das verpresste und mit der Folie 22 umschlossene Zwischenprodukt in Form der Folienbahn, zwischen welcher die mit dem Harz 20 durchtränkten Fasermatten 12 angeordnet sind, einer Einrichtung 24 zugeführt, mittels welcher die Folien 22 an den Rändern der Fasermatten 12 verschweißt und anschließend der Innenraum zwischen den Folien 22, der die mit Harz 20 durchtränkte Fasermatte 12 enthält, evakuiert wird. Mit anderen Worten kann nach dem Verschweißen zwischen den Folien 22 ein Vakuum angelegt werden, um die Faserimprägnierung weiter zu verbessern und eine vollständige Entlüftung der durch die Fasermatten 12 ausgebildeten Gelege zu erreichen.
Die von der Folie 22 umschlossenen und evakuierten Fasermatten 12 werden anschließend einer Trenneinrichtung 26 zugeführt und zu den jeweiligen Faserverbundhalbzeugen 10 zurechtgeschnitten, welche im Wesentlichen die Länge des jeweils anschließend herzustellenden faserverstärkten Kunststoff-Verbundbauteils aufweisen.
Der Zuschnitt der vorimprägnierten Fasermatten erfolgt dabei in einem gekühlten bzw. abgekühlten Zustand, um einen Harzaustritt an den Schnittflächen zu minimieren. Beispielsweise kann das Zuschneiden erst unmittelbar vor dem Einlegen in ein hier nicht dargestelltes Werkzeug erfolgen, mittels welchem die fertigen Faserverbundbauteile aus den entsprechend zugeschnittenen Faserverbundhalbzeugen 10 hergestellt werden. Die Folien 22 verbleiben also während des gesamten Handlings und anschließenden, hier nicht dargestellten Umformprozesses und des Aushärtens des Harzes an den Faserverbundhalbzeugen 10 und werden erst ganz am Schluss, also nach Abschluss des Aushärtevorgangs, von dem fertigen Faserverbundbauteil entfernt.
Als Folien 22 können beispielsweise Folien 22 mit einer strukturierten Oberfläche eingesetzt werden, so dass es möglich wird, eine entsprechend gewünschte Oberflächenstruktur mittels der Folien 22 auf die Faserverbundhalbzeuge 10 bzw. die fertigen Faserverbundbauteile aufzuprägen. Zum Beispiel können bereits während des Imprägnierwalzens mittels der Walzvorrichtung 18 entsprechende Strukturen auf die obersten Faserlagen aufgeprägt werden. Auf diese Art und Weise können am fertigen Bauteil sehr einfach Funktionsflächen, z. B. in Form von Klebeflächen mit einer rauen Oberfläche erzeugt werden, ohne dass diese Strukturen in einer Werkzeugkavität eines hier nicht dargestellten Presswerkzeugs, mittels welchem aus dem Faserverbundhalbzeugen 10 die Faserverbundbauteile hergestellt werden, eingearbeitet werden müssen.
Dadurch können entsprechende Umformwerkzeuge einfacher gehalten werden, da mittels des Umformwerkzeugs zwar weiterhin die eigentliche Bauteilgeometrie bestimmt, die Oberflächenstruktur jedoch durch die strukturierte Folie 22 aufgebracht wird. Durch die Verwendung strukturierter Folien 22 wird also eine vereinfachte Herstellung funktionaler Bauteiloberflächen ermöglicht, ohne dafür Vorkehrungen oder Änderungen an den Umformwerkzeugen vornehmen zu müssen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2170587 B1 [0003, 0003]
DE 102006057603 A1 [0004]
DE 10035237 C1 [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundhalbzeugs (10) für ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, mit den Schritten: – Beaufschlagen von Fasermatten (12) mit einem Harz (20) und Zuführen und zu einer Walzeinrichtung (18); – Umschließen der mit dem Harz beaufschlagten Fasermatten (12) mit Folie (22); – Verpressen der mit dem Harz (20) beaufschlagten und mit der Folie (22) umschlossenen Fasermatten (12) mittels der Walzeinrichtung (18); – Verschweißen der Folie (22) an den Längsseiten der Fasermatte (12) und anschließendes Evakuieren der mit dem Harz (20) durchtränkten Fasermatte (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die evakuierte Fasermatte (12) mittels einer Trenneinrichtung (26) zu einem Faserverbundhalbzeug (10) zurechtgeschnitten wird, welches im Wesentlichen die Länge des herzustellenden Kunststoffbauteils aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuschneiden erst nach einem Abkühlen der evakuierten Fasermatte (12) auf eine vorgegebene Temperatur, insbesondere unterhalb der Schmelztemperatur des Harzes (20), erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Folie (22) eine Folie (22) mit einer strukturierten Oberfläche eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Lagen der Fasermatte (12) vor Ihrer Zuführung zu der Walzeinrichtung (18) aneinander vorfixiert werden, insbesondere mittels eines Binders und/oder durch Vernähen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasermatte (12) Endlosfasern in Form von Gelegen, Geweben oder unidirektionalen Faserrovings umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (22) erst nach der Herstellung des Kunststoffbauteils von diesem entfernt wird.