DE102013114089A1

DE102013114089A1 - Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102013114089A1
Application number: DE102013114089.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian ZIMMERMANN; Jens-Ole Thoebel; Thiemo Erb
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: DE102013114089B4

Abstract

Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff, welches aus einem über ein Spritzpressverfahren mit Harz umspritzten Preform (10), das aus mehreren Sub-Preforms (11, 12, 13, 14, 15) zusammengesetzt ist, gebildet ist, wobei das Preform (10) einerseits mindestens ein manuell drapiertes Sub-Preform und andererseits mindestens ein automatisch durch Fasersprühen erzeugtes Sub-Preform aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff.
Insbesondere aus dem Rennsport ist es bereits bekannt, einen Kraftfahrzeugrohbau als sogenannten Monocoque auszubilden. Bei einem Kraftfahrzeug-Monocoque handelt es sich um ein tragendes Karosseriestrukturbauteil, typischerweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, das die Insassen des Kraftfahrzeugs beherbergt und Anschluss zu weiteren Strukturbauteilen herstellt.
Zur Herstellung eines solchen Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff kommt normalerweise ein Spritzpressverfahren zum Einsatz, insbesondere ein „geschlossenes“ Verfahren wie ein Injektionsverfahren, z.B. ein RTM (Resin Transfer Moulding) Verfahren. Bei einem solchen Spritzpressverfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff wird ein Preform bereitgestellt, wobei das Preform in einem Werkzeug für das Spritzpressverfahren platziert und im Werkzeug ein Harz injiziert wird.
Dann, wenn das herzustellende Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoff, wie dies zum Beispiel bei einem Kraftfahrzeug-Monocoque der Fall ist, über eine geometrisch komplexe Kontur verfügt, wird das Preform für das Spritzpressverfahren aus mehreren sogenannten Sub-Preforms zusammengesetzt. Die Sub-Preforms werden dann im Werkzeug für das Spritzpressverfahren zum eigentlichen Preform angeordnet und im Werkzeug das Harz injiziert.
Die Sub-Preforms für ein Preform eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff werden typischerweise manuell drapiert. Hierzu wird aus einem sogenannten Halbzeug ein zweidimensionaler Zuschnitt ausgeschnitten und der zweidimensionale Zuschnitt wird in eine dreidimensionale Gestalt gebracht und in der dreidimensionalen Gestalt mit Kleber und/oder Binder oder dergleichen fixiert. Mehrere solcher manuell drapierter Sub-Preforms können dann im Werkzeug für das Spritzpressverfahren zum eigentlichen Preform zusammengesetzt werden.
Bei den Sub-Preforms, die zum Preform zusammengesetzt werden, handelt es sich demnach um manuell drapierte Sub-Preforms, wodurch sich für das Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoff ein hoher Fertigungsaufwand ergibt.
Aus der Praxis ist es weiterhin bereits bekannt, Preforms für ein Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff automatisch durch Fasersprühen zu erzeugen. Dabei werden geschnittene Fasern zusammen mit einem Binder mit Hilfe eines Luftstroms auf einem luftdurchlässigen Werkzeug automatisiert in einer dreidimensionalen Gestalt abgelegt. Das so erzeugte Preform kann dann im Werkzeug für das Spritzpressverfahren platziert werden. Vom Fasersprühen sind eine Vielzahl von Prozessvarianten bekannt. Das Fasersprühen erfordert jedoch gegenüber dem manuellen Drapieren von Preforms einen hohen vorrichtungstechnischen Aufwand.
Es besteht daher Bedarf an einem neuartigen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff sowie an einem entsprechenden Bauteil, welches einerseits mit möglichst geringem manuellen Aufwand und andererseits mit möglichst geringem vorrichtungstechnischen Aufwand, welches also besonders wirtschaftlich, hergestellt werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein neuartiges Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist das Preform einerseits mindestens ein manuell drapiertes Sub-Preform und andererseits mindestens ein automatisch durch Fasersprühen erzeugtes Sub-Preform auf.
Mit der Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, ein Preform aus mindestens einem manuell drapierten Sub-Preform und mindestens einem durch Fasersprühen automatisch erzeugten Sub-Preform zusammenzusetzen. Damit ist eine besonders wirtschaftliche Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff möglich.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist mindestens ein durch Fasersprühen erzeugtes Sub-Preform ein Montageteil und/oder einen Kern mit einer geschlossen, insbesondere schaumartigen, Hohlstruktur auf. Dann, wenn derartige Sub-Preforms durch Fasersprühen erzeugt werden, kann das Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoff besonders wirtschaftlich gefertigt werden.
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Bauteil als Kraftfahrzeug-Monocoque ausgebildet. Ein Kraftfahrzeug-Monocoque lässt sich mit der Erfindung besonders wirtschaftlich fertigen.
Das Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff ist in Anspruch 6 definiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen mindestens eines manuell drapierten Sub-Preforms; Bereitstellen mindestens eines automatisch durch Fasersprühen erzeugten Sub-Preforms; Anordnen des oder jedes manuell drapierten Sub-Preforms und des oder jedes durch Fasersprühen erzeugten Sub-Preforms in einem Werkzeug eines Spritzpressverfahrens unter Ausbildung eines aus den Sub-Preforms zusammengesetzten Preforms; Injizieren von Harz in das Werkzeug unter Umspritzen des Preforms; Aushärten des Harzes. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine wirtschaftliche Fertigung von Bauteilen aus einem faserverstärkten Kunststoff.
Vorzugsweise wird für jedes Sub-Preform des Preforms vorab eine zu erwartende spezifische Drapierzeit ermittelt. Die spezifische Drapierzeit für ein Sub-Preform wird insbesondere derart ermittelt, dass die Zeit ermittelt wird, die benötigt wird, um eine bestimmte Masse oder eine bestimmte Anzahl oder ein bestimmtes Volumen an Fasern zu drapieren.
Dann, wenn die spezifische Drapierzeit eines Sub-Preforms größer als ein Grenzwert ist, wird das jeweilige Sub-Preform durch Fasersprühen erzeugt. Dann wohingegen, wenn die spezifische Drapierzeit eines Sub-Preforms kleiner als der Grenzwert ist, wird das jeweilige Sub-Preform manuell drapiert.
Dann, wenn die Entscheidung, welches Sub-Preform manuell drapiert oder durch Fasersprühen erzeugt wird, abhängig von der zu erwartenden, spezifischen Drapierzeit ist, ist eine besonders wirtschaftliche Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff möglich.
Bei der Ermittlung der spezifischen Drapierzeit wird insbesondere berücksichtigt, ob das jeweilige Sub-Preform mindestens ein Montageteil umfasst und/oder ob das jeweilige Sub-Preform einen Kern mit einer geschlossen, insbesondere schaumartigen, Hohlstruktur aufweist. Hierdurch kann die Wirtschaftlichkeit der Fertigung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff weiter erhöht werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine stark schematisierte Darstellung eines Preforms und seiner Sub-Preforms für ein Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff.
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil handelt es sich um ein mit Hilfe eines Spritzpressverfahrens hergestelltes Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff, wobei das Spritzpressverfahren insbesondere ein Injektionsverfahren, z.B. ein RTM-Verfahren, ist.
Ein über ein Spritzpressverfahren hergestelltes Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff verfügt über ein mit Harz umspritztes Preform. Dieses Preform ist aus mehreren Sub-Preforms zusammengesetzt, um ein Bauteil mit einer komplexen geometrischen Konturierung bereitzustellen.
1 zeigt stark schematisiert ein Preform 10 für ein Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff, welches aus mehreren Sub-Preforms 11, 12, 13, 14, 15 zusammengesetzt ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung weist das Preform 10 mindestens ein manuell drapiertes Sub-Preform und andererseits mindestens ein automatisch durch Fasersprühen erzeugtes Sub-Preform auf. Erfindungsgemäß werden demnach auf zwei unterschiedliche Art und Weisen hergestellte Sub-Preforms zu einem Preform im Werkzeug für das Spritzpressverfahren zusammengesetzt.
Zur Herstellung eines manuell drapierten Sub-Preforms wird aus einem sogenannten Halbzeug aus einem Fasergelege bzw. einem Fasergewebe ein zweidimensionaler Zuschnitt ausgeschnitten und der zweidimensionale Zuschnitt wird manuell in eine dreidimensionale Gestalt gebracht und in der dreidimensionalen Gestalt mit Kleber und/oder Binder oder dergleichen manuell fixiert. Zur Herstellung eines durch Fasersprühen automatisch erzeugten Sub-Preforms werden insbesondere geschnittene oder gebrochene Fasern zusammen mit einem Binder mit Hilfe eines Luftstroms automatisch auf einem luftdurchlässigen Werkzeug in einer dreidimensionalen Gestalt abgelegt.
Bei den Sub-Preforms, die im Werkzeug zum Preform zusammengesetzt werden, handelt es sich um trockene, nicht-imprägnierte Sub-Preforms.
Nach dem Zusammensetzen der Sub-Preforms zum Preform wird in das Werkzeug des Spritzpressverfahrens Harz injiziert und ausgehärtet, um so das Preform mit Harz zu umspritzen und letztendlich das faserverstärkte Kunststoffbauteil herzustellen.
Zur Entscheidung, welches Sub-Preform des Preforms 10 manuell oder automatisch durch Fasersprühen drapiert wird, wird für jedes Sub-Preform 11 bis 15 des Preforms 10 eine zu erwartende spezifische Drapierzeit ermittelt.
Bei der spezifischen Drapierzeit eines Sub-Preforms handelt es sich um diejenige Zeit, die benötigt wird, um eine bestimmte Masse oder eine bestimmte Anzahl oder ein bestimmtes Volumen an Fasern in einer dreidimensionalen Kontur zu drapieren und über Kleber bzw. Bindemittel zu fixieren.
Dann, wenn die spezifische Drapierzeit des jeweiligen Sub-Preforms größer als ein Grenzwert ist, wird das jeweilige Sub-Preform durch Fasersprühen automatisch erzeugt. Dann hingegen, wenn die spezifische Drapierzeit eines Sub-Preforms kleiner als der Grenzwert ist, wird das jeweilige Sub-Preform manuell drapiert.
Hiermit ist eine besonders wirtschaftliche Herstellung eines Bauteils mit komplexer dreidimensionaler Kontur aus einem faserverstärkten Kunststoff möglich, da relativ einfache Sub-Preforms, deren spezifische Drapierzeit relativ gering ist, manuell drapiert werden, wohingegen komplexe Sub-Preforms, deren spezifische Drapierzeit relativ groß ist, automatisch durch Fasersprühen erzeugt werden.
Bei der Ermittlung der spezifischen Drapierzeit wird insbesondere berücksichtigt, ob das jeweilige Sub-Preform mindestens ein Montageteil umfasst und/oder ob das jeweilige Sub-Preform einen Kern mit einer geschlossenen, insbesondere schaumartigen, Hohlstruktur aufweist. Bei den Montageteilen handelt es sich vorzugsweise um sogenannte Inserts, über welche an das Bauteil aus dem faserverstärkten Kunststoff weitere Bauteile befestigt werden können.
Insbesondere werden solche Sub-Preforms, die einen Kern aus einer Hohlstruktur und/oder Montageteile umfassen, durch Fasersprühen erzeugt.
Mit der Erfindung können Bauteile aus einem faserverstärkten Kunststoff, die über eine komplexe dreidimensionale Kontur verfügen, besonders wirtschaftlich hergestellt werden.
Insbesondere dient die Erfindung der Herstellung eines Kraftfahrzeug-Monocoque. Bei der Herstellung eines Kraftfahrzeug-Monocoque werden bis zu zwanzig oder mehr Sub-Preforms zu einem Preform zusammengesetzt, wobei die Sub-Preforms abhängig von ihrer jeweiligen spezifischen Drapierzeit durch Fasersprühen automatisch erzeugt oder manuell drapiert werden.

Claims

Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff, welches aus einem über ein Spritzpressverfahren mit Harz umspritzten Preform (10), das aus mehreren Sub-Preforms (11, 12, 13, 14, 15) zusammengesetzt ist, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Preform (10) einerseits mindestens ein manuell drapiertes Sub-Preform und andererseits mindestens ein automatisch durch Fasersprühen erzeugtes Sub-Preform aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein durch Fasersprühen erzeugtes Sub-Preform ein Montageteil aufweist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein durch Fasersprühen erzeugtes Sub-Preform einen Kern mit einer geschlossen, insbesondere schaumartigen, Hohlstruktur aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe als Kraftfahrzeug-Monocoque ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe mit Hilfe eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10 hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff mit zumindest folgenden Schritten: Bereitstellen mindestens eines manuell drapierten Sub-Preforms; Bereitstellen mindestens eines automatisch durch Fasersprühen erzeugten Sub-Preforms; Anordnen des oder jedes manuell drapierten Sub-Preforms und des oder jedes durch Fasersprühen erzeugten Sub-Preforms in einem Werkzeug eines Spritzpressverfahrens unter Ausbildung eines aus den Sub-Preforms zusammengesetzten Preforms; Injizieren von Harz in das Werkzeug unter Umspritzen des Preforms; Aushärten des Harzes.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Sub-Preform des Preforms vorab eine zu erwartende spezifische Drapierzeit ermittelt wird, wobei dann, wenn die spezifische Drapierzeit eines Sub-Preforms größer als ein Grenzwert ist, das jeweilige Sub-Preform durch Fasersprühen erzeugt wird; wohingegen dann, wenn die spezifische Drapierzeit eines Sub-Preforms kleiner als der Grenzwert ist, das jeweilige Sub-Preform manuell drapiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Drapierzeit für ein Sub-Preform derart ermittelt wird, dass die Zeit ermittelt wird, die benötigt wird, um ein bestimmte Masse oder eine bestimmte Anzahl oder ein bestimmtes Volumen an Fasern zu drapieren.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei berücksichtigt wird, ob das jeweilige Sub-Preform mindestens ein Montageteil umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei berücksichtigt wird, ob das jeweilige Sub-Preform einen Kern mit einer geschlossen, insbesondere schaumartigen, Hohlstruktur aufweist.