DE102013201728A1

DE102013201728A1 - Kern und Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffhalbzeuge

Info

Publication number: DE102013201728A1
Application number: DE102013201728.6A
Authority: DE
Inventors: Bruno Niesner; Florian Rapp; Bernd Veihelmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-07
Also published as: WO2014118004A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kern (10) und ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs, wobei der Kern (10) eine äußere Oberfläche (11) aufweist, auf der Fasern zur Auflage kommen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der äußeren Oberfläche (11) mindestens eine Nut (12) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kern zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs, wobei der Kern eine äußere Oberfläche aufweist, auf der Fasern zur Auflage kommen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffhalbzeuge.
Um das Gesamtgewicht heutiger Fahrzeuge zu reduzieren, werden Bauteile verwendet, die in Leichtbauweise hergestellt sind. Dabei werden die bisher verwendeter metallischen Werkstoffe durch Kunststoffmaterialien substituiert. Um die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs zu verbessern, wurden in der jüngsten Vergangenheit Methoden entwickelt, in denen mit Hilfe von Fasern die Kunststoffe verstärkt werden. Um das Bauteilgewicht auf ein Mindestmaß zu reduzieren, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn hohle Bauteile verwendet werden.
Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffbauteile mit einem inneren Hohlraum werden Kerne verwendet. Aus der DE 10 2008 057 780 B4 ist ein Flechtkern zur Herstellung eines Faserverbund-Halbzeuges mittels Rundflechttechnik bekannt, wobei der Flechtkern mit Fasermaterial beflochten wird. Der Flechtkern ist in Hohlbauweise ausgeführt und ist aus zwei aneinander gehaltenen Schalen zusammengesetzt. Die Schalen sind jeweils mit einem oder mehreren Durchbrüchen versehen und derart aneinander gehalten, dass wenigstens ein in Erstreckungsrichtung des Flechtkerns verlaufender Spalt zwischen einander benachbarten Schalenrändern verbleibt.
Die DE 10 2007 027 755 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils, bei dem ein thermoplastischer Hohlkern mit einer Schicht aus Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix zumindest teilweise umschichtet wird und nachfolgend die Kunststoffmatrix ausgehärtet wird.
Mittels Umflechtverfahren oder Umwickelverfahren können Faserhalbzeuge, sogenannte Preforms, für Hohlprofile aus Fasermaterialien hergestellt werden. Bei Anwendung von Flechtverfahren ist der Preform als Geflecht und bei Anwendung von Wickelverfahren als Gelege ausgebildet. Diese Preforms werden dann in Injektionsverfahren, beispielsweise Resin-Transfer-Moulding-Verfahren (RTM), mit Harz getränkt und zu fertigen Bauteilen verarbeitet. Die Kerne, welche die Kontur des späteren Bauteils abbilden und auf welche die Fasern abgelegt werden, können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Häufig kommen dabei Schäume aus Kunststoff zum Einsatz. Alternativ dazu ist es bekannt, sogenannte Blasformkerne zu verwenden. Nach der Fertigstellung des Gesamtbauteils können die Kerne entweder im Bauteil belassen werden oder aus dem Bauteil entfernt und gegebenenfalls wiederverwendet werden. Nach dem Aufbringen der Fasern auf den Kern, müssen die Fasern konturgenau beschnitten werden, um Toleranzanforderungen in den nachfolgenden Prozessschritten einzuhalten. Bislang werden manuelle Beschnitttechniken verwendet, um einen nahezu endkonturgenauen Beschnitt der Bauteile zu realisieren.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, einen Kern und ein Verfahren anzugeben, die für die Herstellung von Faserverbundhalbzeugen in großer Stückzahl geeignet sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kern bzw. ein Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem ein präziser Beschnitt der Faserlagen möglich ist, so dass eine hohe Toleranztreue eingehalten werden kann bei der späteren Weiterverarbeitung des Faserhalbzeugs.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen Kern zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs vor, wobei der Kern eine äußere Oberfläche aufweist, auf der Fasern zur Auflage kommen und wobei auf der äußeren Oberfläche mindestens eine Nut vorgesehen ist. Die Fasern können dabei durch ein Flechtverfahren oder durch ein Wickelverfahren auf den Kern aufgebracht werden, indem dieser umwickelt oder umflochten wird. Beim Umwickeln des Kernes entsteht auf der äußeren Oberfläche des Kerns eine Faserlage, die als Gelege, ggf. auch als mehrschichtiges Gelege, ausgebildet ist. Wenn der Kern umwickelt wird, entsteht auf der äußeren Oberfläche des Kerns ein Fasergeflecht, das ggf. auch mehrschichtig ausgebildet ist. Grundsätzlich können hierbei beliebige Fasermaterialien verwendet werden, wobei insbesondere Glasfasern, Kohlenstofffasern, Kunststofffasern, Stahlfasern und/oder Naturfasern in Betracht kommen. Hierbei eignen sich Aramid, Keflar, Basalt, Hanf und/oder Sisal-Fasern. Erfindungsgemäß können jedoch auch Kombinationen von Fasern verwendet werden, so dass auf der Oberfläche des Kerns ein Hybridgeflecht oder ein Hybridgelege entsteht.
Der Kern kann als ein Vollkern ausgebildet sein, wofür sich insbesondere Schaumkerne oder Sandkerne eignen.
In einer anderen alternativen Ausführungsform, kann der Kern als ein Hohlkern ausgebildet sein, insbesondere als Blasformkern. Solche Hohlkerne sind aus einem dünnwandigen, jedoch formstabilen Material ausgebildet, welches eine äußere Struktur des Kernes bildet. Diese Struktur umschließt eine Kammer mit einer Öffnung zur Umgebung. Über diese Öffnung kann die im Inneren des Blasformkerns befindliche Kammer mit einem Fluid, d. h. mit einem gasförmigen oder einem flüssigen Medium, insbesondere Luft oder Wasser, befüllt werden. Die Befüllung der Kammer hat zur Folge, dass die Struktur des Kerns ihre vollständige Formsteifigkeit erhält, so dass beim Aufbringen der Fasern auf die äußere Oberfläche des Kernes keine Formänderungen des Kerns oder nur geringe Formänderung in engen Toleranzbereichen erfolgen kann.
Weiterhin kann die Nut im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Kernes verlaufen, wobei sie in einer Ebene verläuft, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Kernprofiles steht. Die erfindungsgemäßen Kerne sind geometrische Elemente, die sich in ihrer Längsrichtung stärker erstrecken, als in der Breiten- oder Höhenrichtung. Sie können dabei runde, ovale, drei- oder mehreckige Querschnittsformen aufweisen. Die polygonalen Querschnittsformen können symmetrisch oder auch unsymmetrisch sein. Je nach späterem Belastungsfall des fertigen faserverstärkten Kunststoffbauteils können auch Kombinationen aus den genannten Querschnittsformen verwendet werden. Über die Länge des Kernes kann dessen Querschnitt in Form und Größe auch variieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Nut des Kerns mit elastischem Material, insbesondere mit Gießharz, Gummi, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Nitrilkautschuk (NBR) und/oder einem geschäumten Material gefüllt sein. Die Nut hat den Vorteil, dass sie als Schneidespalt genutzt werden kann und den Kern vor Beschädigungen schützt. Insbesondere bei der Verwendung von hohlen Blasformkernen kann verhindert werden, dass beim Beschneiden der Faserlage durch ein ungewolltes Verletzen der Kernwandung das in dem Kern befindliche Medium entweicht. Die würde wiederum ein Absinken des Drucks in dem Kern verursachen, was eine Veränderung der äußeren Geometrie des Kerns nach sich ziehen würde. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Befüllung der Nut mit einem elastischen Material, indem die Befüllung als Gegenlager für den Beschnitt fungiert. Während des Beschnitts der Faserlage taucht die Klinge der Schneidapparatur in das Gegenlager ein und bricht dabei die Fasern, ohne den Kern zu beschädigen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs mit den Schritten:

– Erzeugen einer Faserlage durch Aufbringen von Fasern auf einen Kern,
– Beschneiden des Kerns entlang vorbestimmter Schnittstellen, die durch Nuten vorgegeben sind, wobei ein Kern der im Vorhergehenden beschriebenen Art verwendet wird.

Das Aufbringen der Fasern kann dabei in einem Flecht- oder einem Wickelprozess stattfinden. Darüber hinaus kann vor dem Aufbringen der Fasern die Nut mit elastischem Material, insbesondere mit Gießharz, Gummi, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Nitrilkautschuk (NBR) und/oder einem geschäumten Material gefüllt werden.
Ferner kann die erzeugte Faserlage mit einer Ultraschall-Schneideeinrichtung, mit einem rotierenden Schneidemesser und/oder mit einem stehenden Schneidemesser beschnitten werden. Im Vergleich zu abrasiven Schneideverfahren bieten die genannten Schnittmethoden den Vorteil, dass ein Trennen der Fasern ohne Faserflug möglich ist. Ferner können auch besonders enge Toleranzen im Vergleich zu anderen Verfahren erzielt werden. Auch wird das Herausziehen einzelner Faserstränge auf diese Weise verhindert. Insbesondere die Verwendung einer Ultraschall-Schneideinrichtung bietet den Vorteil, dass auch hybride Textilstrukturen verwendet werden können, bei denen die Faserlage aus einem Hybridgeflecht oder einem Hybridgelege ausgebildet ist.
Darüber hinaus kann die auf dem Kern befindliche Faserlage zuerst beschnitten werden, bevor die Faserlage in einem RTM-Werkzeug mit dem Matrixmaterial infiltriert wird. Somit wird unmittelbar nach deren Erzeugung die Faserlage beschnitten, wobei die noch trockenen Fasern durchtrennt werden.
In einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Kern mit daran angeordneter Faserlage in ein RTM-Werkzeug eingelegt werden und die Faserlage mit einem Matrixmaterial in einem Folgeschritt infiltriert werden. Im Anschluss daran kann die mit dem Matrixmaterial infiltrierte Faserlage beschnitten werden. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird der Beschnitt der Faserlage erst nach dem Herstellen des Faserverbundhalbzeuges durchgeführt.
Als Matrixmaterial eignen sich in beiden Ausführungsformen thermoplastische Kunststoffe oder duroplastische Kunststoffe, insbesondere Kunst- oder Expoxidharze. Durch Beaufschlagung mit Druck und Temperatur härten duroplastische Kunststoffe aus und sind im Anschluss daran nicht wieder zu erweichen, sondern behalten ihre Form unabhängig von der Temperatur des faserverstärkten Bauteils. Thermoplastische Matrixmaterialen erstarren beim Abkühlen, können jedoch durch Erwärmung wieder formveränderbar werden. In allen o. g. Ausführungsvarianten können Hybridgewebe oder Hybridgelege, insbesondere aus einer Kombination von Kohlenstoff- und Glasfasern, hergestellt werden. In allen Ausführungsformen können die Kerne als verlorene Kerne im Bauteil verbleiben oder nach der fertigen Herstellung des Kunststoffbauteils aus dem Bauteil entnommen werden. Insbesondere bei der Verwendung von hohlen Blasformkernen können diese auf besonders einfache Weise durch Abführen des Füllmediums aus der Kammer kollabiert und anschließend aus dem Faserverbundbauteil entfernt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigt in schematischer Darstellung
1 einen Kern zur Herstellung eines Faserverbundhalbzeugs.
Der Kern 10 weist eine äußere Oberfläche 11 auf, die als Mantelfläche in Umfangsrichtung den Kern 10 umgibt. In der Mantelfläche ist eine Nut 12 vorgesehen. Der Kern 10 erstreckt sich in Richtung seiner Längsachse A und weist dabei einen konstanten Querschnitt auf. Am einem längsseitigen Ende ist ein Anschlussstück 13 vorgesehen, über das der hohle Blasformkern 10 mit einem Medium befüllt und auch wieder entleert werden kann.
Die auf der Oberfläche 11 des Blasformkerns 10 verlaufende Nut 12 weist eine rechteckige Querschnittsform auf. In weiteren Ausführungsformen können jedoch auch Nuten mit einer runden oder dreieckigen Querschnittsform vorgesehen sein. Die Nut verläuft auf der Oberfläche 11 in Umfangsrichtung, d. h. um die Längsachse A des Kerns 10 herum. Sie verläuft dabei in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse A steht.
Abweichend von der in 1 dargestellten Nut 12 kann die Nut 12 auch in Längsrichtung des Kernes 10 verlaufen. Dadurch kann auf besonders einfache Weise die Faserlage aufgetrennt und von dem Kern 10 abgenommen werden. Dadurch können mattenartige Fasergeflechte erzeugt werden, die in weiteren Verfahrensschritten zu einem Faserverbundbauteil mit einer Matrix ausgearbeitet werden können.
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 102008057780 B4 [0003]
DE 102007027755 [0004]

Claims

Kern (10) zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs, wobei der Kern (10) eine äußere Oberfläche (11) aufweist, auf der Fasern zur Auflage kommen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der äußeren Oberfläche (11) mindestens eine Nut (12) vorgesehen ist.
Kern (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) als ein Schaumkern oder als ein Sandkern ausgebildet ist.
Kern (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) als ein Hohlkern, insbesondere als Blasformkern ausgebildet ist.
Kern (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (12) im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Kerns (10) verläuft wobei sie in einer Ebene verläuft, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (A) des Kernprofils steht.
Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (12) mit elastischem Material, insbesondere mit Gießharz, Gummi, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Nitrilkautschuk (NBR) und/oder einem geschäumten Material gefüllt ist.
Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffhalbzeugs mit den Schritten: – Erzeugen einer Faserlage, durch Aufbringen von Fasern auf einen Kern (10), – Beschneiden des Kerns (10) entlang vorbestimmter Schnittstellen, die durch Nuten (12) vorgegeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kern (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Fasern auf den Kern, eine Nut (12) mit elastischem Material, insbesondere mit Gießharz, Gummi, Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Nitrilkautschuk (NBR) und/oder einem geschäumten Material gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Faserlage mit einer Ultraschall-Schneideinrichtung, mit einem rotierenden Schneidemesser und/oder mit einem stehenden Schneidemesser beschnitten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Kern (10) angeordnete Faserlage zuerst beschnitten wird, bevor der Kern (10) mit der beschnittenen Faserlage in ein RTM Werkzeug eingelegt wird und die Faserlage mit einem Matrixmaterial infiltriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) mit daran angeordneter Faserlage zuerst in ein RTM Werkzeug eingelegt wird, die Faserlage mit ein Matrixmaterial infiltriert wird und anschließend die mit dem Matrixmaterial infiltrierte Faserlage beschnitten wird.