DE102013018898A1

DE102013018898A1 - Faserverstärktes Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102013018898A1
Application number: DE201310018898
Authority: DE
Inventors: Felix Diebold; David Roquette
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-05-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (1), bei dem ein Faserhalbzeug (3) in eine Formkammer (13) eines Injektionswerkzeugs (17) eingelegt wird und anschließend zur Bildung des faserverstärkten Kunststoffbauteils (1) unter Druck- und Wärmebeaufschlagung ein Matrixmaterial (5) in die Formkammer (13) injiziert wird. Erfindungsgemäß wird das Faserhalbzeug (3) vor dem Injiziervorgang mit zumindest einem Trennelement (7) versehen, das im fertiggestellten Kunststoffbauteil (1) eine Solltrennstelle zwischen einem Grundkörper (23) des Kunststoffbauteils (1) und einer daran angeformten Teilstruktur (25) bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Injektionsverfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles nach dem Patentanspruch 1 sowie ein faserverstärktes Kunststoffbauteil nach dem Patentanspruch 10.
Ein solches faserverstärktes Kunststoffbauteil kann in einem gängigen RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) hergestellt werden. Im RTM-Verfahren wird zunächst ein aus einem flächigen Faserhalbzeug (zum Beispiel eine Fasermatte, ein Fasergewebe, ein Fasergeflecht, -gestricke, -gelege oder -vlies) 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 eines Injektionswerkzeuges eingelegt. Anschließend wird eine flüssige Ausgangskomponente des Matrixwerkstoffes unter Wärme und Druck in die Formkammer injiziert. Nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem Injektionswerkzeug entnommen werden. Beispielhaft ist aus der DE 10 2011 012 900 A1 ein solches RTM-Verfahren bekannt.
Nach der Entformung kann das Kunststoffbauteil noch Matrixmaterial-Angüsse aufweisen. Derartige Angüsse bestehen aus reinem Matrixmaterial ohne darin integrierter Fasern. Die Angüsse müssen bei einer Nachbehandlung fertigungstechnisch aufwendig meist in Handarbeit durch Abschlagen oder Abscheren oder durch eine sonstige spanabhebende Bearbeitung entfernt werden.
Aus der EP 2 447 049 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, bei dem das Matrixmaterial mit einem Trennmittel beaufschlagt wird, um die Entformung aus dem Injektionswerkzeug zu vereinfachen. Aus der DE 103 57 215 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bekannt, in dem nach der Entformung eine Nachbehandlung folgt, in der die Kunststoffbauteile lackiert oder poliert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils bereitzustellen, das fertigungstechnisch einfach 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 Grundgedanken, dass speziell die im RTM-Verfahren unvermeidlichen Matrixmaterial-Angüsse, die durch das, in dem Zuführkanal zur Formkammer erstarrte Matrixmaterial gebildet werden, nur mit großem Aufwand entfernbar sind. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 das Faserhalbzeug vor dem Injiziervorgang mit zumindest einem Trennelement versehen.
Das Trennelement stellt – allgemein ausgedrückt – im fertiggestellten Kunststoffbauteil eine Solltrennstelle zwischen einem Grundkörper des Kunststoffbauteils und einer daran angeformten Teilstruktur bereit. Auf diese Weise kann speziell ein am Grundkörper angeformter Matrixmaterial-Anguss nach dem RTM-Prozess einfach abgelöst werden. Dadurch ergibt sich kein Mehrgewicht aufgrund funktionstechnisch irrelevanter Matrixmaterial-Strukturen. Die Teilstruktur muss daher nicht durch Spanbearbeitung entfernt werden.
Bevorzugt kann das Trennelement im Vergleich zum Faserhalbzeug reduzierte Haftungseigenschaften zum Matrixmaterial aufweisen bzw. gegebenenfalls eine im Vergleich zum Matrixmaterial erhöhte Oberflächenspannung. Beispielhaft kann das Trennelement eine Teflonbeschichtung aufweisen. Das Trennelement kann alternativ und/oder zusätzlich zur Bereitstellung der oben erwähnten Solltrennstelle auch generell zur Prozessoptimierung eingesetzt werden, zum Beispiel je nach geometrischer Struktur als ein Verteilerkanal, eine Vlieshilfe oder dergleichen. Besonders bevorzugt ist das Trennelement ein flächiges Bauteil aus einer Fasermatte oder einer Lochfolie, die Durchlassöffnungen aufweisen, durch die beim Injiziervorgang die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials, das heißt zum Beispiel Reaktionsharz, fließen kann.
Die Haftungseigenschaften des Trennelementes können bevorzugt so ausgelegt werden, dass sich die Teilstruktur, das heißt zum Beispiel der Matrixmaterial-Anguss, nach erfolgtem Injiziervorgang aufgrund von Material-Schrumpfung (das heißt Schwindung) beim Abkühlen selbsttätig vom Grundkörper des Kunststoffbauteiles löst.
Nach dem Entfernen der Teilstruktur vom Grundkörper des Kunststoffbauteils kann das Trennelement zumindest teilweise freigelegt sein und bevorzugt ohne Nachbehandlung im Grundkörper verbleiben. Alternativ dazu kann das Trennelement anschließend auch vom Grundkörper entfernt werden.
Bevorzugt kann das Trennelement vor der Durchführung des obigen Injektionsvorgangs an einer Außenseite des Faserhalbzeugs mit dessen Fasermaterial verbunden werden. Das Trennelement ist dabei bevorzugt so zu positionieren, dass es auf der, dem Zuführkanal zugewandten Seite angeordnet ist und bevorzugt die Mündung des Zuführkanals sowie gegebenenfalls rillenförmige Verteilerkanäle überdeckt, die in der die Formkammer begrenzenden Formfläche ausgebildet sein können.
Derartige rillenförmige Verteilerkanäle sind speziell bei der Herstellung komplexer Bauteilgeometrien vorgesehen. Die Verteilerkanäle gewährleisten im Injiziervorgang eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung der flüssigen Ausgangskomponente des Matrixmaterials in der Formkammer.
Der Matrixmaterial-Anguss besteht aus reinem Matrixmaterial ohne darin integrierte Verstärkungsfasern, wodurch der Anguss im Vergleich zum Grundkörper des Kunststoffbauteils wesentlich spröder ist. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Solltrennstelle kann daher der Anguss problemlos vom Grundkörper abgeschlagen oder abgeschert werden.
Das Matrixmaterial kann beispielhaft duroplastisch oder gegebenenfalls thermoplastisch sein. Bevorzugt kann das Matrixmaterial ein Reinharz sein, bei dem Zusatzstoffe, etwa ein Härter zugemischt sind. Die im Faserhalbzeug verwendeten Fasern können bevorzugt Endlosfasern aus jedem geeigneten Material sein. Beispielhaft können die Fasern aus Glas, Carbon, Aramid, Basalt oder jeglicher Art von Naturfasern gefertigt sein.
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 lediglich beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1 In einer Perspektivdarstellung ein fertiggestelltes faserverstärktes Kunststoffbauteil mit freigelegten Trennelementen;
2 und 3 jeweils in Alleinstellung unterschiedliche Ausführungsvarianten des Trennelementes; sowie
4 bis 6 jeweils Ansichten zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung des in der 1 gezeigten Kunststoffbauteils.
In der 1 ist ein faserverstärktes Kunststoffbauteil 1 gezeigt, das in einem später beschriebenen RTM-Verfahren hergestellt wird. Das Kunststoffbauteil 1 weist eine dreidimensionale Struktur auf und ist aus einem Faserhalbzeug 3 hergestellt, das in einem Matrixmaterial 5 eingebettet ist. An der Oberseite des Kunststoffbauteiles 1 ist ein großflächiges Trennelement 7 im Kunststoffbauteil 1 integriert, dessen Funktion später anhand des Herstellungsverfahrens beschrieben ist.
In den 2 und 3 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele des Trennelementes 7 gezeigt. Das in der 2 gezeigte Trennelement 7 ist eine plattenförmige bzw. flächige Fasermatte mit geflochtenen Fasern 9. Die Fasern 9 sind derart grobmaschig miteinander verflochten, dass sich dazwischen freie Durchlassöffnungen 11 ergeben, durch die im später beschriebenen RTM-Verfahren eine flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials 5 fließen kann. In der 3 ist das Trennelement 7 keine Fasermatte, sondern vielmehr eine Lochfolie mit einer Vielzahl von Durchlassöffnungen 11 für die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials 5. In beiden Ausführungsvarianten ist das Trennelement 7 so ausgelegt, dass es im Vergleich zum Faserhalbzeug 3 reduzierte Haftungseigenschaften zum Matrixmaterial 5 aufweist. Gegebenenfalls können die reduzierten Haftungseigenschaften durch eine Teflonbeschichtung realisiert werden.
Nachfolgend ist anhand der 4 bis 6 das Verfahren zur Herstellung des in der 1 gezeigten Kunststoffbauteils beschrieben. So wird zunächst das Faserhalbzeug 3 als ein sogenannter Vorformling bereitgestellt, der noch im Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial vorliegt. Das Faserhalbzeug kann beispielhaft eine Fasermatte, ein Fasergewebe oder dergleichen sein. Der so gebildete Vorformling wird als ein Einlegerteil in eine Formkammer 13 eines Injektionswerkzeuges 17 eingelegt. Das Injektionswerkzeug 17 weist in der 4 oder 5 zwei einander zugewandte Werkzeughälften auf, die die Formkammer 13 begrenzen. Der oberen Werkzeughälfte ist ein nicht dargestelltes Einspeisesystem für das Matrixmaterial 5 zugeordnet. Beim Injiziervorgang wird eine flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials 5 vom Einspeisesystem durch einen Zuführkanal 21 an einer Injektionsstelle 19 in die Formkammer 13 eingespeist. Von der Injektionsstelle 19 zweigen rillenförmige Verteilerkanäle 22 ab. Die Verteilerkanäle 22 gewährleisten beim Injiziervorgang eine weitgehend gleichmäßige Verteilung des Matrixmaterials 5 in der Formkammer 13.
Vor dem Einlegen des Faserhalbzeuges 3 in die Formkammer 13 wird an der Oberseite des Faserhalbzeuges 3 das Trennelement 7 fixiert. Das Trennelement 7 ist dabei so positioniert, dass es im, in die Formkammer 13 eingelegten Zustand unmittelbar die Mündung des Zuführkanals 21 sowie der rillenförmigen Verteilerkanäle 22 überdeckt. Während des Injiziervorgangs fließt daher das geschmolzene Matrixmaterial 5 unter Druck und Wärme durch das Trennelement 7 in die Formkammer 13 hinein.
Entsprechend ist nach dem Injiziervorgang das Trennelement 7 im Matrixmaterial 5 integriert. Aufgrund seiner reduzierten Haftungseigenschaften bildet das Trennelement 7 eine Solltrennstelle zwischen einem Grundkörper 23 (6) des Kunststoffbauteils und dem Matrixmaterial-Anguß 25 (6), der durch das an der Injektionsstelle 19 des Zuführkanals 21 sowie in den rillenförmigen Verteilerkanälen 22 erstarrte Matrixmaterial 5 gebildet wird.
In der 6 ist der Grundkörper 23 des Kunststoffbauteiles 1 mit noch angeformtem Harzanguß 25 dargestellt, und zwar unmittelbar nach einer Entformung des Kunststoffbauteils 1 aus dem Injektionswerkzeug 17. Im Rahmen einer Nachbehandlung kann der angeformte Matrixmaterial-Anguß 25 ohne großen Aufwand von dem Trennelement 7 entfernt werden. Das Trennelement 7 bleibt dagegen im Matrixmaterial 5 des Kunststoffbauteils 1 integriert.
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 102011012900 A1 [0002]
EP 2447049 A1 [0004]
DE 10357215 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils (1), bei dem ein Faserhalbzeug (3) in eine Formkammer (13) eines Injektionswerkzeugs (17) eingelegt wird und anschließend zur Bildung des faserverstärkten Kunststoffbauteils (1) unter Druck- und Wärmebeaufschlagung ein Matrixmaterial (5) in die Formkammer (13) injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (3) vor dem Injiziervorgang mit zumindest einem Trennelement (7) versehen wird, das im fertiggestellten Kunststoffbauteil (1) eine Solltrennstelle zwischen einem Grundkörper (23) des Kunststoffbauteils (1) und einer daran angeformten Teilstruktur (25) bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (7) im Vergleich zum Faserhalbzeug (3) reduzierte Haftungseigenschaften zum Matrixmaterial (5) aufweist, und/oder das Trennelement (7) eine Teflonbeschichtung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (7) ein insbesondere flächiges Bauteil mit Durchlassöffnungen (11) ist, durch die beim Injiziervorgang die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials (5) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Grundkörper (23) des Kunststoffbauteils (1) abzulösende Teilstruktur (25) eine funktionstechnisch irrelevante Harzstruktur, insbesondere ein Matrixmaterial-Anguss ist, der durch das in einem Zuführkanal (21) zur Formkammer (13) und/oder in einem innenseitig der Formkammer (13) gebildeten Verteilerkanal (22) erstarrte Matrixmaterial (5) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (7) auf der dem Zuführkanal (21) zugewandten Seite des Faserhalbzeugs (3) positioniert wird, und/oder das Trennelement (7) die Mündung des Zuführkanals (21) und/oder einen Verteilerkanal (22) überdeckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilstruktur (25), insbesondere der Matrixmaterial-Anguß, nach erfolgtem Injiziervorgang aufgrund von Schrumpfung beim Abkühlen selbsttätig vom Grundkörper (23) des Kunststoffbauteils (1) löst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (7) durch eine Fasermatte oder eine Lochfolie gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Entfernen der Teilstruktur (25) vom Grundkörper (23) des Kunststoffbauteils (1) das Trennelement (7) zumindest teilweise freigelegt ist, und insbesondere das Trennelement (7) anschließend vom Grundkörper (23) entfernt wird oder alternativ im Grundkörper (23) verbleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (7) vor dem Injiziervorgang an dem Fasermaterial des Faserhalbzeugs (3) fixiert wird.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil, das mit einem Injektionsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, welches Kunststoffbauteil (1) ein in einem Matrixmaterial (5) eingebettetes Faserhalbzeug (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil (1) zusätzlich ein im Matrixmaterial (5) eingebettetes Trennelement (7) aufweist, das eine Solltrennstelle zwischen einem Grundkörper (23) des Kunststoffbauteils (1) und einer daran angeformten Teilstruktur (25) bereitstellt.