DE102013006067A1

DE102013006067A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102013006067A1
Application number: DE102013006067.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Kurzidim; Daniel Harms
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: DE102013006067B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (3) aus einem faserverstärkten Kunststoff (15), bei dem ein aus Faserhalbzeugen gebildeter Vorformling (7) in eine Formkammer (5) eines Injektionswerkzeugs (1) eingelegt wird, in einem Injektionsschritt (III) eine flüssige Ausgangskomponente eines Duromeres, insbesondere eines Reaktionsharzes, in die Formkammer (5) injiziert wird und anschließend in einem Aushärteschritt (IV) die flüssige Duromer-Ausgangskomponente unter Polyreaktion ausgehärtet wird. Erfindungsgemäß erfolgt vor dem Injektionsschritt (III) ein Gasbeladungsschritt (II), bei dem die flüssige Duromer-Ausgangskomponente mit einem Gas beladen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für Kraftfahrzeuge aus einem faserverstärkten Kunststoff nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach dem Patentanspruch 10.
Ein gängiges Verfahren zur Herstellung eines solchen faserverstärkten Kunststoffbauteils ist das RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding), bei dem zunächst ein aus flächigen Faserhalbzeugen (zum Beispiel Fasergewebe oder Fasergelege) gebildeter Vorformling bereitgestellt wird. Der Vorformling befindet sich noch in einem Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial. Zur Fertigstellung des Kunststoffbauteils wird der Vorformling als ein Einlegerteil in eine Formkammer eines RTM-Werkzeuges eingelegt. Anschließend wird die flüssige Ausgangskomponente des Matrixwerkstoffes unter Wärme und Druck in die Formkammer eingespritzt. Nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem RTM-Werkzeug entnommen werden.
Als Matrixmaterial können Polymerwerkstoffe verwendet werden. Bei Polymerwerkstoffen wird je nach dem Vernetzungsgrad zwischen den makromolekularen Hauptketten nach Thermoplasten, Elastomeren und Duromeren unterschieden. Während die Thermoplaste keine Vernetzungsstellen aufweisen, und daher beliebig oft aufschmelzbar sind, können Elastomere und Duroplaste aufgrund ihrer Vernetzung nicht aufgeschmolzen werden und zerfallen nach Überschreiten der Zersetzungstemperatur. Duromere werden bevorzugt mittels Polyaddition, Polykondensation oder Polymerisation in einer chemischen Reaktion hergestellt, bei der fortlaufend Monomere an ein wachsendes Polymer angegliedert werden. Diese chemische Reaktion erfolgt unter Druck- und Wärmebeaufschlagung während des Aushärteschrittes des in die Formkammer eingespritzten Duromer-Ausgangsstoffes.
Ein solches gattungsgemäßes Herstellungsverfahren ist aus der DE 101 32 342 A1 bekannt, bei dem als Matrixwerkstoff ein Duromer, insbesondere ein gehärtetes Reaktionsharz, verwendet wird. Bei einem noch flüssigen Reaktionsharz handelt es sich um eine, beispielsweise mit einem sogenannten Härter, aktivierbare Ausgangskomponente eines Kunststoffmaterials, die, sobald sie aktiviert wird, in einer chemischen Reaktion aushärtet und nach der Aushärtung nicht mehr schmelzbar ist. Die Aushärtezeit ist über die Temperatur steuerbar, wobei sich bei einer höheren Temperatur die Aushärtezeit verkürzt. Aus diesem Grund ist die Temperatur in dem RTM-Verfahren derart niedrig zu wählen, dass das Reaktionsharz bis zur vollständigen Füllung der Formkammer in einem flüssigen Zustand ist. Eine niedrige Reaktionsharz-Temperatur bewirkt jedoch eine hohe Viskosität des Reaktionsharzes, so dass die Füllung der Formkammer und das Einbetten des Faser-Halbzeugs in das Reaktionsharz erschwert ist. Dies verursacht lange Fertigungszeiten und einen hohen fertigungstechnischen Aufwand zur Auffüllung der Formkammer. Weiterhin sind bei derart niedrigen Temperaturen auch die Fließwege des Reaktionsharzes in der Formkammer begrenzt, so dass auch die Gestaltung des Kunststoff-Bauteils begrenzt ist.
Um diesem Problem zu begegnen, ist es aus der DE 10 2010 062 057 A1 bereits bekannt, einen mit reaktionsfähigen Harz getränkten Träger, beispielsweise ein Gewebe, ein Vlies oder ein Schaumstoff, und mindestens einen Fasern enthaltenden Körper in ein Werkzeug einzubringen und anschließend das reaktionsfähige Harz unter Temperatur- und Druckeinwirkung in dem Werkzeug zu verteilen und auszuhärten. Ein derartiges Fertigungsverfahren ist jedoch sehr aufwendig und kostspielig.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der das Kunststoffbauteil auf einfache Weise mit reduzierter Fertigungszeit hergestellt werden kann.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass in dem aus dem Stand der Technik bekannten RTM-Verfahren das Reaktionsharz die Fließwege aufgrund seiner hohen Viskosität nur mit geringer Geschwindigkeit zurücklegen kann, was in einer hohen Gesamtfertigungszeit resultiert. Vor diesem Hintergrund erfolgt vor dem Injektionsschritt ein Gasbeladungsschritt, bei dem die flüssige Duromer-Ausgangskomponente mit einem Gas beladen wird. Als Duromer-Ausgangskomponente kann besonders bevorzugt ein flüssiges Reaktionsharz verwendet werden. Durch die Gasbeladung wird die Viskosität der flüssigen Duromer-Ausgangskomponente reduziert und dadurch der nachfolgende Injektionsschritt zeitlich beschleunigt.
Bevorzugt kann ein dem Injektionsschritt zeitlich vorgelagerter Härtereintragungsschritt erfolgen, bei dem ein zum Aushärten erforderlicher Härter in die flüssige Duromer-Ausgangskomponente eingetragen wird. Durch die zeitliche Vorlagerung des Härtereintragungsschritts kann die chemische Aktivierung der Duromer-Ausgangskomponente mittels des Härters außerhalb des Injektionswerkzeugs erfolgen, so dass die Härtereintragung vereinfacht ist und eine optimale Härtereintragung erfolgen kann. Der Gasbeladungsschritt kann zeitlich vor oder nach dem Härtereintragungsschritt erfolgen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Gasbeladungsschritt zeitlich nicht vor, sondern nach dem Härtereintragungssschritt erfolgt. In diesem Fall kann nämlich die Durchmischung von Duromer-Ausgangskomponente und Härter auf herkömmliche Art ohne Berücksichtigung einer Gasbeladung durchgeführt werden. So ist die Härtereintragung technisch vereinfacht und die Nutzung herkömmlicher Anlagen zur Durchführung des Härtereintragungsschritts ermöglicht.
Bevorzugt kann die Gasbeladung mit Stickstoff, Kohlendioxid oder dergleichen vorgenommen werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Kohlendioxid, da es im Vergleich zum Stickstoff eine wesentlich höhere Löslichkeit in der flüssigen Duromer-Ausgangskomponente besitzt. Zur technischen Realisierung kann im Gasbeladungsschritt das Gas unter einem Gasbeladungsdruck in der flüssigen Duromer-Ausgangskomponente aufgelöst beziehungsweise diffundiert sein. Der Gasbeladungsdruck kann beispielshaft in einem Bereich von 1 bar bis 250 bar, vorzugsweise in einem Bereich von 50 bar bis 60 bar sein.
Bei der Aushärtung der flüssigen Duromer-Ausgangskomponente besteht die Gefahr, dass es in der sich plastifizierenden Duromer-Ausgangskomponente zu einer Gasblasenbildung kommt. Zur Vermeidung einer solchen Gasblasenbildung ist es von Vorteil, wenn die Formkammer des Injektionswerkzeuges während des Injektionsschrittes mit dem Gasbeladungsdruck beaufschlagt wird. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass während des Füllvorganges das Gas in der flüssigen Duromer-Ausgangskomponente aufgelöst bleibt und nicht unter Blasenbildung aus der Duromer-Schmelze ausdiffundiert.
Alternativ dazu kann eine Blasenbildung auch gegebenenfalls auch dadurch erreicht werden, dass die Formkammer des Injektionswerkzeuges während des Injektionsschrittes mit einem, im Vergleich zum Gasbeladungsdruck reduziertem Druck beaufschlagt ist. Auf diese Weise wird ein Ausdiffundieren des Gases während des Einfüllvorganges unterstützt, wodurch das Gas aus der noch flüssigen Duromer-Ausgangskomponente in der Formkammer ausdiffundieren kann und aus der Formkammer weggeleitet werden kann.
Besonders vorteilhaft kann die gasbeladene, flüssige Duromer-Ausgangskomponente nicht nur in einem zeitlich beschleunigten Injektionsschritt in die Formkammer eingespritzt werden. Vielmehr kann – aufgrund des beschleunigten Injektionsschrittes – die flüssige Duromer-Ausgangskomponente auch in einer stark reduzierten Reaktionszeit ausgehärtet werden (da nunmehr keine Notwendigkeit mehr besteht, aufgrund reduzierter Fließgeschwindigkeiten des Reaktionsharzes die Reaktionszeit zu erhöhen).
Bevorzugt kann daher die flüssige Duromer-Ausgangskomponente frei von chemischen Additiven zur Reaktionsverzögerung sein. Ebenso kann gegebenenfalls die Reaktionstemperatur sowie der Reaktionsdruck während des Aushärteschrittes erhöht werden, um eine weitere Beschleunigung des Aushärtevorgangs (das heißt Polykondensation, Polyaddition, Polymerisation) zu erreichen. Ebenso kann der flüssigen Duromer-Ausgangskomponente ein chemisches Additiv zugesetzt werden, mit dem die Polymerisation beziehungsweise Polykondensation beim Aushärtevorgang beschleunigt wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der oben angegebenen Verfahrensschritte weist, im Vergleich zum Stand der Technik, zusätzlich eine Gasbeladungsanlage auf, in der die flüssige Duromer-Ausgangskomponente mit einem Gas beladen werden kann. Zudem weist die Vorrichtung ein Injektionswerkzeug auf, in dessen Formkammer die mit Gas beladene Ausgangskomponente eingespritzt werden kann.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in einer Prinzipdarstellung eine Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles mit einem RTM-Werkzeug, in dessen Formkammer ein Faser-Vorformling eingelegt ist;
2 das nach Durchführung des Herstellungsverfahrens aus dem RTM-Werkzeug entnommene faserverstärkte Kunststoffbauteil; und
3 ein Blockschaltdiagramm, in dem die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils veranschaulicht sind.
In der 1 ist ein Injektionswerkzeug 1 zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils 3 (2) gezeigt. Das Injektionswerkzeug 1 bildet mit zwei Formhälften 2 eine die Negativform des Kunststoffbauteils 3 bildende Formkammer 5 aus, in die in der 1 ein aus Faserhalbzeugen gebildeter Vorformling 7 eingelegt ist. Zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils 3 ist in einer Härtereintragungsanlage 9 ein flüssiges Reaktionsharz mit einem Härter vermischbar. Das mit dem Härter vermischte Reaktionsharz ist in einer Gasbeladungsanlage 11 mit einem Gas beladbar. Anschließend ist das mit Härter vermischte und mit Gas beladene Reaktionsharz über einen Injektionskanal 13 in die Formkammer 5 injizierbar.
In der 2 ist das faserverstärkte Kunststoffbauteil 3 in einem ausgehärteten Zustand in Schnittdarstellung gezeigt. In dem ausgehärteten Zustand des faserverstärkten Kunststoffbauteils 3 ist der aus Faserhalbzeugen gebildete Vorformling 7 in einem aus ausgehärtetem Reaktionsharz bestehenden Matrixmaterial 15 eingebettet. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil wird bevorzugt als Innenverkleidungsbauteil in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Beispielhaft lassen sich Verkleidungsteile etwa in der Türverkleidung, Instrumententafel aber auch Kofferraumabdeckungen und -verkleidungen und Verkleidungen der A-, B- oder C-Säule nennen. Besonders gut eignen sich großflächige Bauteile.
Im Folgenden werden nun anhand der 3 die wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils 3 erläutert:
In einem ersten Verfahrensschritt I zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils 3 wird der Härter in das flüssige Reaktionsharz eingetragen. Durch den Härtereintrag wird die chemische Reaktion zur Aushärtung des flüssigen Reaktionsharzes aktiviert. In einem zweiten Verfahrensschritt II zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils 3 wird das mit Härter vermischte, noch flüssige Reaktionsharz mit einem Gas beladen, wodurch die Viskosität des flüssigen Reaktionsharzes verringert wird. Zur Gasbeladung wird das Gas unter einem Gasbeladungsdruck in dem flüssigen Reaktionsharz aufgelöst. Anschließend wird in einem dritten Verfahrensschritt das mit Härter vermischte sowie mit Gas beladene flüssige Reaktionsharz in die Formkammer 5 injiziert, in die bereits der aus Faserhalbzeugen gebildete Vorformling 7 eingelegt ist. Durch die aufgrund der Gasbeladung verringerte Viskosität ist eine im Vergleich zum Stand der Technik beschleunigte Injektion des Reaktionsharzes in die Formkammer 5 ermöglicht. Zur Vermeidung einer Gasblasenbildung in dem Reaktionsharz wird die Formkammer 5 während der Injektion des Reaktionsharzes mit dem Gasbeladungsdruck beaufschlagt, so dass während des Füllvorgangs das Gas in dem Reaktionsharz aufgelöst bleibt. In einem vierten Verfahrensschritt IV wird das flüssige Reaktionsharz in der Formkammer 5 unter Druck- und Temperatureinwirkung ausgehärtet. Die Temperatur und der Druck in der Formkammer 5 des Injektionswerkzeugs 1 ist aufgrund der beschleunigten Injektion des Reaktionsharzes in die Formkammer 5 im Vergleich zum Stand der Technik erhöht, wodurch das flüssige Reaktionsharz schneller aushärtet. Abschließend wird in einem fünften Verfahrensschritt V das faserverstärkte Kunststoffbauteil 3 entformt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10132342 A1 [0004]
DE 102010062057 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für Kraftfahrzeuge (3) aus einem faserverstärkten Kunststoff (15), bei dem ein aus Faserhalbzeugen gebildeter Vorformling (7) in eine Formkammer (5) eines Injektionswerkzeugs (1) eingelegt wird, in einem Injektionsschritt (III) eine flüssige Ausgangskomponente eines Duromeres, insbesondere eines Reaktionsharzes, in die Formkammer (5) injiziert wird und anschließend in einem Aushärteschritt (IV) die flüssige Duromer-Ausgangskomponente unter Polyreaktion ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Injektionsschritt (III) ein Gasbeladungsschritt (II) erfolgt, bei dem die flüssige Duromer-Ausgangskomponente mit einem Gas beladen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Injektionsschritt (III) zeitlich vorgelagerter Härtereintragungsschritt (I) erfolgt, bei dem ein zum Aushärten erforderlicher Härter in die flüssige Duromer-Ausgangskomponente eingetragen wird, und dass insbesondere der Gasbeladungsschritt (II) zeitlich nach dem Härtereintragungssschritt (I) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasbeladung mit Stickstoff, Kohlendioxid oder dergleichen erfolgt und/oder mit dem Gasbeladungsschritt (II) die Viskosität der flüssigen Duromer-Ausgangskomponente reduziert wird und dadurch der Injektionsschritt (III) zeitlich beschleunigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasbeladungsschritt (II) das Gas unter einem Gasbeladungsdruck in der flüssigen Duromer-Ausgangskomponente aufgelöst beziehungsweise diffundiert wird, insbesondere bei einem Druck im Bereich von 1 bar und 250 bar, vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 60 bar.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkammer (5) des Injektionswerkzeugs (1) während des Injektionsschritts (III) mit dem Gasbeladungsdruck beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkammer (5) des Injektionswerkzeugs (1) während des Injektionsschritts (III) mit im Vergleich zum Gasbeladungsdruck reduziertem Druck beaufschlagt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Duromer-Ausgangskomponente, im Vergleich zu herkömmlichen Duromer-Ausgangskomponenten, in einer reduzierten Reaktionszeit aushärtbar ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Duromer-Ausgangskomponente frei von chemischen Additiven zur Reaktionsverzögerung ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Duromer-Ausgangskomponente chemische Additive zur Reaktionsbeschleunigung aufweist.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Gasbeladungsanlage (11), in der die flüssige Duromer-Ausgangskomponente mit Gas beladbar ist, und einem Injektionswerkzeug (1), in dessen Formkammer (5) die mit Gas beladene Duromer-Ausgangskomponente injizierbar ist.