DE102013011580B4

DE102013011580B4 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102013011580B4
Application number: DE102013011580.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Thomas Krause
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: DE102013011580A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem ein, ein Einlegerteil bildender Vorformling (1) aus einem Faserhalbzeug bereitgestellt wird, das zumindest ein Fasergewebe ist, das aus einer Endlos-Gewebebahn (2) mit einer in der Fertigungsrichtung (F) konstanten Bahnbreite (y) und mit einem in der Fertigungsrichtung (F) ausgerichteten Kettfadensystem (3) sowie einem in etwa rechtwinklig dazu verkreuzten Schussfadensystem (9) mit zumindest einer Verstärkungsfaser (11) hergestellt wird, wobei die Verstärkungsfaser (11) derart in das Kettfadensystem (3) verwoben wird, dass sich eine Reihe von flächengleichen Flächengebilden (17) mit in Fertigungsrichtung (F) variierender Breite (y) ergibt, deren Kontur der Endkontur des Kunststoffbauteils entspricht, wobei zur Bildung des Vorformlings (1) die Reihe von Flächengebilden (17) zu einem Lagenpaket gestapelt wird und die übereinandergestapelten Flächengebilde (17) unterschiedliche Verstärkungsfaser-Orientierungen aufweisen, und wobei die Flächengebilde (17) zur Bereitstellung der unterschiedlichen Faser-Orientierungen in unterschiedlicher Ausrichtung in der Endlos-Gewebebahn (2) gewebt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein gängiges Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils ist das sogenannte RTM-Verfahren (Resin-Transfer-Moulding). Bei einem solchen gattungsgemäßen RTM-Verfahren wird zunächst ein aus flächigen Faserhalbzeugen (zum Beispiel Fasergewebe) gebildeter Vorformling bereitgestellt. Der Vorformling befindet sich noch im Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial. Zur Fertigstellung des Kunststoffbauteils wird der Vorformling als ein Einlegerteil in, eine Formkammer ausbildende Werkzeughälften eines RTM-Werkzeugs 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.
Der oben genannte Vorformling kann wie folgt hergestellt werden: So werden flächige Faserhalbzeuge in gängiger Praxis in Form von Rollenware definierter Breite von den Textilzulieferern bereitgestellt. Gewebte Faserhalbzeuge werden dabei mit Hilfe von Hochleistungswebmaschinen in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess aus einer Endlos-Gewebebahn hergestellt. Die Endlos-Gewebebahn weist ein in der Fertigungsrichtung ausgerichtetes Kettfadensystem sowie ein in etwa rechtwinklig dazu verkreuztes Schussfadensystem auf. Sowohl das Kettfadensystem als auch Schussfadensystem weisen Verstärkungsfasern, etwa Kohlefaserrovings, auf.
Aus der Rollenware werden Faserhalbzeug-Zuschnitte angefertigt, deren Kontur der Bauteilkontur entspricht. Die Zuschnitte werden zu einem Lagenpaket übereinander gestapelt, und zwar unter Zwischenlage eines Binders. Die übereinandergestapelten flächigen Halbzeuge können in gleicher und unterschiedlicher Faserorientierung angeordnet sein. Anschließend wird unter Druck und Wärme das noch lose Lagenpaket verfestigt und vorgeformt. Der so gebildete Vorformling kann dann weiter zum RTM-Werkzeug transportiert werden. Mittels des Binders wird gewährleistet, dass der Vorformling eine ausreichend große Bauteilstabilität für die Handhabung bis zum RTM-Prozess aufweist.
Durch das maßgenaue Zuschneiden der Faserhalbzeuge aus der Rollenware (entsprechend der Preform-Kontur) ergibt sich ein nicht zu vernachlässigender Verschnitt, der als Materialausschuss aus dem Prozesskreislauf abgeführt werden muss und sich negativ auf die Kosten- und Umweltbilanz des gesamten Fertigungsprozesses auswirkt.
Aus der DE 10 2010 007 048 A1 ist ein Verfahren und eine Webmaschine zur Herstellung von Geweben mit Zusatzschusseffekten bekannt. Aus der EP 0 957 191 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Textilprodukten bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bereitzustellen, bei dem der Materialaufwand bei den Verstärkungsfasern reduziert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Erfindungsgemäß wurde die Problematik erkannt, dass bei der Erzeugung der oben erwähnten Fasergewebe-Zuschnitte aus der Rollenware eine nicht unerhebliche Menge an Verschnittmaterial abgeführt werden muss, das kostenspielig hergestellte Verstärkungsfaser, etwa Kohlefaserrovings, enthält. Vor diesem Hintergrund wird im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren die Verstärkungsfaser derart in das Kettfadensystem verwoben, dass sich zumindest ein Flächengebilde mit in Fertigungsrichtung variierender Breite ergibt, dessen Kontur der Endkontur des Kunststoffbauteils entspricht.
Erfindungsgemäß sind die Verstärkungsfasern also ausnahmslos innerhalb des gewebten Flächengebildes verwoben, nicht jedoch außerhalb des Flächengebildes. Bei einem nachfolgenden Zuschneiden werden daher die Verstärkungsfasern vollständig dem RTM-Verfahren zugeführt und - im Unterschied zum Stand der Technik - nicht als Verschnittmaterial aus dem Prozesskreislauf abgeführt.
Entsprechend bilden die seitlich verlaufenden Webkanten des Fixiergewebes die Ränder der Endlos-Gewebebahn. Die Webkanten der Verstärkungsfaser sind dagegen von den Bahnrändern zurückgesetzt und variieren in Abhängigkeit von der herzustellenden Bauteil-Endkontur.
Insgesamt wird der Erfindung eine Verbesserung der Kosten- und Umweltbilanz des Gesamtprozesses ermöglicht.
Das Schussfadensystem kann neben der Verstärkungsfaser zusätzlich einen Hilfs-Schussfaden aufweisen. Gleichermaßen kann auch das Kettfadensystem bevorzugt ausschließlich Hilfs-Kettfäden aufweisen. Die Hilfsfäden sind materialunterschiedlich zur Verstärkungsfaser ausgeführt, und zwar bevorzugt aus einem kostengünstigen Kunststoffmaterial, etwa aus Polyester. Die Hilfsfäden können beim Fertigungsprozess zu einem Fixiergewebe für die Verstärkungsfaser geflochten werden. Dabei erfolgt innerhalb des gewebten Flächengebildes eine Bindung der Verstärkungsfaser durch Verkreuzen. Außerhalb des gewebten Flächengebildes gibt es keine Verstärkungsfasern.
Eine Faserondulation der eingeflochtenen Verstärkungsfaser führt zu einer Beeinträchtigung ihrer mechanischen Kennwerte. Aus diesem Grunde ist es bevorzugt, wenn die Verstärkungsfasern in der Schussrichtung krümmungsfrei in der Gewebebahn verlaufen. Derartige Gewebe sind als sogenannte „woven non-crimp“-Gewebe bekannt, bei denen wenigstens quer zur Fertigungsrichtung krümmungsfrei verlaufende Kohlefaserrovings vorliegen. Diese Halbzeuge werden gefertigt, indem einzelne Schussfäden des Fixiergewebes aus zum Beispiel Polyesterfäden während des Webvorgangs durch - unter starker Vorspannung stehende Kohlefaserrovings oder sonstige Verstärkungsfasern, ersetzt werden.
Nach der Herstellung der oben genannten Gewebe-Endlosbahn erfolgt ein Zuschneiden, bei dem das Flächengebilde als ein Zuschnitt aus der Endlos-Gewebebahn geschnitten wird. Dies erfolgt unter Abführung eines verbleibenden Verschnittflächenanteils als Materialausschuss. Erfindungsgemäß besteht der Verschnittflächenanteil ausschließlich aus den Hilfsfäden, nicht jedoch aus den wertvollen Verstärkungsfasern. Die Zuschnittkanten verlaufen daher unmittelbar am Flächenübergang zwischen dem Flächengebilde und dem Fixiergewebe.
Zur Bildung des Vorformlings wird eine Mehrzahl solcher Flächengebilde unter Zwischenlage eines Binders zu einem Lagenpaket übereinander gestapelt. Die übereinandergestapelten Flächengebilde sind in gleicher oder unterschiedlicher Faser-Orientierung angeordnet. Anschließend wird unter Druck und Wärme das noch lose Lagenpaket verfestigt und vorgeformt. Der so gebildete Vorformling wird dann weiter zum RTM-Werkzeug transportiert. Für eine solche unterschiedliche Faser-Orientierung der übereinandergestapelten Flächengebilde werden diese in unterschiedlicher Ausrichtung in der Endlosbahn-Gewebebahn gewebt.
Der Webvorgang erfolgt bevorzugt mit Hilfe einer Hochleistungswebmaschine, insbesondere einer sogenannten Jacquard-Webmaschine, die die Möglichkeit einer Einzelsteuerung der Kettfäden (Rapportgröße beliebig einstellbar) bietet. Mit einer solchen Webmaschine ist die Herstellung von insbesondere „woven non-crimp“-Halbzeugen besonders einfach herstellbar.
Zur Erzeugung derart konturierter Flächengebilde bedarf es keiner oder nur geringfügiger Modifikationen einer solchen Webmaschine. Ausgangspunkt bildet das Herstellungsverfahren von „woven non-crimp“-Halbzeugen mit unidirektional, quer zur Fertigungsrichtung verlaufenden Rovings. Die Rovings werden über ein geeignetes Schusseintragssystem (Schusseintrag zum Beispie mittels Spulenschützen) in den Freiraum (Webfach) der Kettfäden eingebracht. Durch das gezielte, einheitliche Heben oder Senken der Kettfäden außerhalb der zu erzeugenden Kontur entfällt die Bindung der Rovings durch das Fixiergewebe in diesen Bereichen. Innerhalb der geforderten Bauteilkontur werden die Rovings durch das Verkreuzen der Kettfäden fixiert.
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 perspektivischen Ansicht einen Vorformling für ein flächiges Faserverbundkunststoff-Bauteil, das nach einem RTM-Verfahren gefertigt wird;
2 eine grob schematische Teilansicht einer Endlos-Gewebebahn, anhand der der Webvorgang grob schematisch veranschaulicht ist;
3 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht einer durch Weben hergestellten Endlos-Gewebebahn; und
4 in einer grob schematischen Explosionsdarstellung ein Formwerkzeug, in das zwei Fasergewebe-Zuschnitte zur Bildung eines Lagenpaketes gestapelt werden.

In der 1 ist vereinfacht ein dreidimensional konfigurierter Vorformling 1 gezeigt, der beispielsweise zur Herstellung eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug, wie etwa einem Kotflügel etc., nach dem RTM-Verfahren (resin transfer moulding) oder einem ähnlichen Verfahren dient. Der Vorformling 1 ist aus zwei übereinander gestapelten, später beschriebenen Fasergewebe-Zuschnitten 22 aufgebaut, deren Kontur mit der Endkontur des nicht gezeigten Kunststoffbauteils identisch ist.
Anhand der nachfolgenden 2 bis 4 ist die Herstellung des Vorformlings 1 erläutert: So ist in der 2 zunächst in einer Prinzipdarstellung ein Webvorgang zur Herstellung einer Endlos-Gewebebahn 2 veranschaulicht. Ein solcher Webevorgang ist zum Beispiel mit Hilfe einer an sich bekannten Jacquard-Webmaschine durchführbar. Prinzipiell sind bei der Herstellung der Endlos-Gewebebahn 2 ein in der Fertigungsrichtung F ausgerichtetes Kettfadensystem 3 sowie ein in etwa rechtwinklig dazu verkreuztes Schussfadensystem 5 vorgesehen. Das Kettfadensystem 3 weist eine Reihe von Kettfäden 7 (nachfolgend als Hilfs-Kettfäden bezeichnet) aus einem kostengünstigen Polyestermaterial auf. Das Schussfadensystem 5 weist die ebenfalls aus einem Polyestermaterial gefertigten Schussfäden 9 (nachfolgend als Hilfs-Schußfäden bezeichnet) sowie zusätzlich eine Verstärkungsfaser 11 auf, insbesondere einen Kohlefaserroving.
Zur Herstellung der Gewebebahn 2 müssen die rechtwinklig zueinander angeordneten Kettfaden- und Schussfadensysteme 3, 5 miteinander verkreuzt werden. Die parallel zur Fertigungsrichtung F angeordneten Kettfäden 7 sind prinzipiell in zumindest zwei Gruppen aufgeteilt. Diese Einteilung ist verfahrensbedingt erforderlich, um beim Webvorgang einen Teil der Kettfäden 7 nach oben und den anderen Teil der Kettfäden 7 nach unten bewegen zu können und trägt zur bindungstechnischen Ausbildung der Gewebestruktur bei. Der in der Folge zwischen den Kettfäden 7 entstehende Freiraum wird für einen Schusseintrag genutzt.
Wie aus der 2 weiter hervorgeht, bilden die seitlichen Webkanten 13 der Hilfs-Schussfäden 9 jeweils die seitlichen Randkanten 15 (3) der Endlos-Gewebebahn 2. Diese ist in der Fertigungsrichtung F betrachtet mit einer gleichbleibenden Bahnbreite y_B ausgeführt. Demgegenüber ist die Verstärkungsfaser 11 derart in das Kettfadensystem 3 geflochten, dass sich ein Flächengebilde 17 ergibt. Das Flächengebilde 17 weist - im Unterschied zur Gewebebahn 2 - in der Fertigungsrichtung F betrachtet eine variierende Breite y_F auf. Die Breite y_F des Flächengebildes 17 variiert so, dass dessen Kontur der Endkontur des herzustellenden Kunststoffbauteils (nicht dargestellt) entspricht. Der Kontur-Verlauf des Flächengebildes 17 ist durch die Webkanten 18 (2) der verwobenen Verstärkungsfaser 11 gebildet, die in der 2 mit Bezug auf die Webkanten 13 der Hilfs-Schußfäden 9 zurückgesetzt sind.
Die Hilfs-Kettfäden 7 sowie die Hilfs-Schussfäden 9 sind gemäß der 2 oder 3 zu einem Fixiergewebe 10 für die Verstärkungsfaser 11 verwoben.
In der 2 erfolgt innerhalb des Flächengebildes 17 eine Bindung der Verstärkungsfaser 11 durch Verkreuzen mit den Hilfs-Kettfäden 7. Außerhalb des Flächengebildes 17 ist dagegen die Verstärkungsfaser 11 bindungsfrei und sind ausschließlich der Hilfs-Schussfaden 9 mit den Kettfäden 7 verkreuzt.
Um im Hinblick auf die mechanischen Kennwerte eine nachteilige Faserondulation zu vermeiden, verläuft die Verstärkungsfaser 11 in der Schussrichtung betrachtet krümmungsfrei in der Gewebebahn 2. Bei der Herstellung der Gewebebahn 2 sind einzelne Schussfäden 9 des Fixiergewebes 10 durch die, unter starker Vorspannung stehende Verstärkungsfaser 11, insbesondere ein Kohlefaserroving, ersetzt.
In der 3 ist ein Ausschnitt aus einer fertiggestellten Endlos-Gewebebahn 2 gezeigt. In der Gewebebahn 2 sind beispielhaft zwei Flächengebilde 17 eingewebt. Diese sind flächengleich, jedoch in unterschiedlicher Ausrichtung in der Gewebebahn 2 vorgesehen.
Nach der Herstellung einer solchen Endlos-Gewebebahn 2 erfolgt ein Zuschneiden, bei dem die Flächengebilde 17 als Zuschnitte aus der Endlos-Gewebebahn 2 geschnitten werden. In der 3 sind die Zuschnittkanten 20 mit strichpunktierten Linien angedeutet. Die nach dem Zuschneiden verbleibenden Verschnittflächenanteile 19 (3) werden als Materialausschuss aus dem Prozesskreislauf abgeführt. Die Zuschnittkanten 20 der Fasergewebe-Zuschnitte verlaufen entlang der Webkanten 18 der Verstärkungsfaser 11. Auf diese Weise finden sich im Verschnittflächenanteil 19 ausschließlich die Hilfsfäden 7, 9 wieder, nicht jedoch die Verstärkungsfaser 11.
Die so erhaltenen Fasergewebe-Zuschnitte sind in der 4 mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet. Die Fasergewebe-Zuschnitte 22 werden, insbesondere unter Zwischenlage eines Binders, in einem Formwerkzeug 21 zu einem Lagenpaket übereinandergestapelt. In dem Lagenpaket weisen die übereinandergestapelten Fasergewebe-Zuschnitte 22 unterschiedliche Verstärkungsfaser-Orientierungen auf.
Anschließend wird unter Druck und Wärme das noch lose im Formwerkzeug 21 angeordnete Lagenpaket verfestigt und dreidimensional vorgeformt. Der so gebildete Vorformling 1 ist in der 1 gezeigt. Nach der Druck- und Wärmebeaufschlagung weist der Vorformling 1 eine ausreichend große Bauteilstabilität auf, die einen prozesssicheren Weitertransport in die Formkammer eines nicht dargestellten RTM-Werkzeugs gewährleistet. In der Formkammer des RTM-Werkzeugs wird der Vorformling 1 als Einlegerteil eingelegt. Anschließend wird in an sich bekannter Weise die flüssige Ausgangskomponente des Matrixwerkstoffes unter Druck und Wärme in die Formkammer eingespritzt. Nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann dann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem RTM-Werkzeug entnommen werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem ein, ein Einlegerteil bildender Vorformling (1) aus einem Faserhalbzeug bereitgestellt wird, das zumindest ein Fasergewebe ist, das aus einer Endlos-Gewebebahn (2) mit einer in der Fertigungsrichtung (F) konstanten Bahnbreite (y_B) und mit einem in der Fertigungsrichtung (F) ausgerichteten Kettfadensystem (3) sowie einem in etwa rechtwinklig dazu verkreuzten Schussfadensystem (9) mit zumindest einer Verstärkungsfaser (11) hergestellt wird, wobei die Verstärkungsfaser (11) derart in das Kettfadensystem (3) verwoben wird, dass sich eine Reihe von flächengleichen Flächengebilden (17) mit in Fertigungsrichtung (F) variierender Breite (y_F) ergibt, deren Kontur der Endkontur des Kunststoffbauteils entspricht, wobei zur Bildung des Vorformlings (1) die Reihe von Flächengebilden (17) zu einem Lagenpaket gestapelt wird und die übereinandergestapelten Flächengebilde (17) unterschiedliche Verstärkungsfaser-Orientierungen aufweisen, und wobei die Flächengebilde (17) zur Bereitstellung der unterschiedlichen Faser-Orientierungen in unterschiedlicher Ausrichtung in der Endlos-Gewebebahn (2) gewebt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schussfadensystem (5) neben der Verstärkungsfaser (11) einen Hilfs-Schussfaden (9) aufweist und/oder dass das Kettfadensystem (3) ausschließlich Hilfs-Kettfäden (7) aufweist, wobei insbesondere die Hilfsfäden (7, 9) materialunterschiedlich zur Verstärkungsfaser (11) ausgeführt sind, etwa aus kostengünstigen Polyesterfäden, und/oder die Hilfsfäden (7, 9) ein Fixiergewebe (10) für die Verstärkungsfaser (11) bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des jeweiligen Flächengebildes (17) eine Bindung der Verstärkungsfaser (11) durch Verkreuzen erfolgt und außerhalb des Flächengebildes (17) die Verstärkungsfaser (11) bindungsfrei ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfaser (11) in der Schussrichtung krümmungsfrei in der Gewebebahn (2) verläuft, und/oder dass bei der Herstellung der Gewebebahn (2) einzelne Hilf-Schussfäden (9) des Fixiergewebes (10) durch, unter starker Vorspannung stehende Verstärkungsfasern (11), insbesondere Kohlefaserrovings, ersetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung der Gewebe-Endlosbahn (2) ein Zuschneiden erfolgt, bei dem das Flächengebilde (17) als ein Zuschnitt (22) aus der Endlos-Gewebebahn (1) geschnitten wird, und zwar unter Abführung eines verbleibenden Verschnittflächenanteils (19) als Materialausschuss, und dass insbesondere die Zuschnittkante (20) konturangepasst entlang dem Rand des Flächengebildes (17) verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das noch lose Lagenpaket unter Druck und Wärme verfestigt und vorgeformt wird, und insbesondere der so gebildete Vorformling (1) weiter zu einem RTM-Werkzeug transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorformling (1) in eine Formkammer des RTM-Werkzeugs eingelegt und anschließend ein Matrixmaterial unter Wärme und Druck in die Formkammer eingespritzt und ausgehärtet wird.