DE102013222014B4

DE102013222014B4 - Verfahren sowie Werkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Fahrzeuganbauteils

Info

Publication number: DE102013222014B4
Application number: DE102013222014.6A
Authority: DE
Inventors: Josef Ulrich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2016-09-22
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: DE102013222014A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Fahrzeuganbauteils (30), das eine eine Gewebestruktur aufweisende Oberfläche hat, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Verwenden einer Form (12) mit zwei Formhälften (14, 16), die im geschlossenen Zustand eine Kavität (18) bilden und beide Formhälften (14, 16) eine die Kavität (18) begrenzende Oberfläche (20, 22) aufweisen, die mit unterschiedlichen, einander zu einer Gewebestruktur ergänzenden Dekorstrukturen (24) versehen sind; b) Einbringen eines Verstärkungsmaterials (26) in Form ungerichteter Fasern in die Form (12); c) Einbringen eines fließfähigen Kunststoffmaterials (28) in die Form (12), so dass das Kunststoffmaterial (28) die die Kavität (18) begrenzende Oberfläche (20, 22) unmittelbar kontaktiert; d) Anpressen des Verstärkungs- sowie Kunststoffmaterials (26 bzw. 28) an die Oberfläche (20, 22) der beiden Formhälften (14, 16); und e) Aushärten des Kunststoffmaterials (28).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Werkzeug zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Fahrzeuganbauteils gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5.
Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffteile, die im Sichtbereich eines Fahrzeugs und insbesondere als Fahrzeuginnenraumverkleidungsteile eingesetzt werden, werden üblicherweise textile Gelege oder Gewebe als Verstärkungsmaterialien verwendet, die in ein auch als Harz bezeichnetes Kunststoffmaterial eingebettet werden. Bekannte Herstellungsverfahren hierzu sind das sogenannte Resin Transfer Molding (RTM), Harzinfusion, Nasspressen oder Laminieren. Anschließend werden die Bauteile, die aufgrund des verwendeten Gewebes bzw. Geleges eine optisch ansprechende Oberfläche aufweisen, mit Klarlack lackiert. Nachteilig bei den bekannten Verfahren sind die vergleichsweise hohen Materialkosten sowie die relativ aufwendige Fertigung.
Die DE 10 2012 005 505 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Beplankungsteils aus faserverstärktem Kunststoff als Teil einer Fahrzeug-Außenhaut, wobei das Beplankungsteil zum Zweck der Strömungsoptimierung beim Formen mit einer einseitigen Oberflächenstruktur ähnlich einer Haifischhaut versehen wird. Die Rückseite des Beplankungsteils erhält keine solche Oberflächenstruktur.
Die EP 0 263 964 A2 offenbart eine Mehrschichtfolie, die als Trennfolie zur Herstellung dekorativer Schichtstoffplatten verwendet werden kann. Mit einer solchen Trennfolie können matte, strukturierte Schichtstoffplatten bereitgestellt werden. Dabei kann den Schichtstoffplatten auf jeder Seite jeweils eine separate Oberflächenstruktur, z. B. in Form einer Gewebestruktur, eingeprägt werden.
Demgegenüber schafft die Erfindung ein Verfahren bzw. ein Werkzeug, das eine kostengünstigere Herstellung faserverstärkter Kunststoff-Fahrzeuganbauteile ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht also den Einsatz einer Form mit einer nicht-planen Dekorstruktur vor, welche beim Abformen als Positiv abgebildet wird und so beim fertigen Bauteil eine gewünschte optisch hochwertige Oberflächenstruktur erzeugt. Bei der Dekorstruktur handelt es sich um eine Gewebestruktur, die optisch besonders ansprechend ist. Dadurch ist es möglich, verglichen mit einem Gewebe oder Gelege preiswertere ungerichtete Fasern (auch als non-woven bezeichnet) zu verwenden, beispielsweise Glas-, Carbon- oder Aramidfasern. Dies erleichtert zudem den Herstellungsprozess, da ungerichtete Fasern nicht, wie dies bei einem Gewebe oder Gelege der Fall ist, in der Form ausgerichtet werden müssen.
Erfindungsgemäß weist die Form zwei Formhälften auf, die im geschlossenen Zustand die Kavität bilden. Auf diese Weise lassen sich Bauteile fertigen, die auf beiden Seiten eine gewünschte Oberflächenstruktur aufweisen, wenn beide Formhälften auf ihrer die Kavität begrenzenden Oberfläche mit einer entsprechenden Dekorstruktur versehen sind.
Beide Formhälften weisen eine die Kavität begrenzende Oberfläche auf, die mit unterschiedlichen, einander zu einer Gewebestruktur ergänzenden Dekorstrukturen versehen sind. Dadurch wird beim Abformen eine Art Verriffelungseffekt erzielt, der zu einer besonders naturgetreuen Nachbildung einer Gewebestruktur führt. Im Gegensatz zu der möglichen Ausgestaltung des Verfahrens nach der EP 0 263 964 A2 , wo auf den entgegengesetzten Seiten der Platte eigene, separate Gewebestrukturen eingedrückt werden, sieht die Erfindung vor, dass sich durch das Verfahren insgesamt hier eine Gewebestruktur ergibt, die sich durch die Strukturen auf den entgegengesetzten Seiten zusammensetzt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist keine zusätzliche Kaschierung, etwa in Form einer Folie oder eines Furniers, auf der Sichtseite vorgesehen. Auf diese Weise lassen sich Fahrzeuganbauteile für den Sichtbereich, insbesondere den Fahrzeuginnenraum, herstellen, die sich durch eine vergleichbare Festigkeit und eine ansprechende Optik, jedoch deutlich geringere Fertigungskosten auszeichnen.
Vor dem Aushärten des (auch als Harz bezeichneten) Kunststoffmaterials wird das Verstärkungs- sowie Kunststoffmaterial an die Oberfläche der beiden Formhälften angepresst. So ist sichergestellt, dass die Dekorstruktur der Formoberfläche optimal auf das Bauteil übertragen wird. Je nachdem, auf welche Weise das Einbringen des Kunststoffmaterials in die Kavität bzw. das Anpressen des Verstärkungs- bzw. Kunststoffmaterials an die Oberfläche der Form erfolgt, können die Verfahrensschritte b) und c) sowie das Anpressen auch gleichzeitig stattfinden.
In einer ersten Verfahrensvariante erfolgt der Verfahrensschritt b) und/oder c) in einem Infusionsverfahren, insbesondere unter Vakuum. Hierzu werden trockene ungerichtete Fasern in die Formhälfte eingelegt, wobei eine harz- und gasdichte Folie als Formgegenstück dient. Die Form wird evakuiert, und das Kunststoffmaterial wird mittels Unterdruck durch die Kavität transportiert.
Alternativ können die Verfahrensschritte b) und/oder c) auch in einem Laminierverfahren erfolgen. Insbesondere ist hier ein Vakuumlaminieren der zuvor getränkten Fasern mit einer harz- und gasdichten Folie als Formgegenstück sinnvoll. Denkbar wäre auch ein Handlaminierverfahren.
Dabei kann der Verfahrensschritt c), nämlich das Einbringen des fließfähigen Kunststoffmaterials, in einem Pressverfahren, insbesondere einem Nasspressverfahren, oder in einem Injektionsverfahren (sogenanntes Resin Transfer Molding, kurz RTM) erfolgen. Beim Nasspressen werden trockene Fasern und Harzgemisch bzw. vorimprägnierte Fasern in die Form eingebracht, wobei durch Zufahren der Formhälften das Bauteil gepresst wird. Beim Injektionsverfahren, das auch als Spritzpressen bezeichnet wird, erfolgt die Harzinjektion unter Druck in die geschlossene Form, wobei das Kunststoffmaterial die zuvor in die Form eingelegten trockenen Fasern durchtränkt.
Alternativ wären auch Spritzgussverfahren mit Kurzfasern oder die Verarbeitung von SMC, BMC oder Prepreg denkbar.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls durch ein Werkzeug nach Anspruch 5 gelöst.
Ein solches Werkzeug ermöglicht die Verwendung kostengünstiger ungerichteter Fasern, wobei dennoch eine optisch ansprechende Oberfläche des hergestellten Bauteils erzielt werden kann.
Die Gewebestruktur wird beim Abformen als Positiv abgebildet und ist optisch besonders hochwertig.
Erfindungsgemäß weist die Form zwei Formhälften auf, die im geschlossenen Zustand die Kavität bilden. Dies ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit beidseitig hochwertiger Oberfläche. Dabei weisen beide Formhälften eine die Kavität begrenzende Oberfläche auf, die mit unterschiedlichen, einander zu einer Gewebestruktur ergänzenden Dekorstrukturen versehen sind. Durch den hierbei eintretenden Verriffelungseffekt erhält man eine besonders realistische Nachbildung eines Gewebes.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann bei unterschiedlichsten Herstellungsverfahren zum Einsatz kommen, etwa bei Infusionsverfahren, Laminierverfahren, Pressverfahren wie z. B. Nasspressen oder beim sogenannten Resin Transfer Molding.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine Schnittansicht des Werkzeugs aus 1 nach Einbringen eines Verstärkungsmaterials;
3 eine Schnittansicht des Werkzeugs aus 2 im geschlossenen Zustand;
4 eine Schnittansicht des Werkzeugs aus 3 nach Einbringen eines fließfähigen Kunststoffmaterials; und
5 eine perspektivische Ansicht eines im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten faserverstärkten Kunststoff-Fahrzeuganbauteils.
1 zeigt ein Werkzeug 10 zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Fahrzeuganbauteils, das eine Form 12 aufweist, die sich aus einer oberen Formhälfte 14 und einer unteren Formhälfte 16 zusammensetzt. Die beiden Formhälften 14, 16 bilden im geschlossenen Zustand eine Kavität 18. Beide Formhälften 14, 16 weisen je eine Oberfläche 20 bzw. 22 auf, die im geschlossenen Zustand der Form 12 die Kavität 18 begrenzen und mit einer nicht-planen Dekorstruktur 24 versehen sind, die ein Negativ einer beim fertigen Kunststoffteil gewünschten Oberflächenstruktur darstellt, hier einer Gewebestruktur. An der unteren Formhälfte 16 ist zudem eine umlaufende Dichtung 25 vorgesehen.
Im Folgenden wird anhand der 1 bis 4 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Fahrzeuganbauteils erläutert. Hierbei wird zunächst die Form 12 bereitgestellt, die zwei Formhälften 14, 16 aufweist (1).
In einem nächsten Verfahrensschritt (siehe 2) wird ein Verstärkungsmaterial 26 in Form ungerichteter Fasern, hier Carbonfasern, in die untere Formhälfte 16 der Form 12 eingelegt. Bei der gezeigten Ausführung handelt es sich um eine Art Vlies aus ungerichteten Fasern, insbesondere können aber auch lose Fasern in die Form 12 eingebracht werden.
Anschließend wird, wie in 3 gezeigt ist, die Form 12 geschlossen, wobei die Dichtung 25 die Kavität 18 gas- und harzdicht verschließt.
Nach dem Schließen der Form 12 wird ein fließfähiges Kunststoffmaterial 28 in die Form eingebracht, so dass das Kunststoffmaterial 28 die Oberflächen 20, 22, die die Kavität 18 begrenzen, unmittelbar kontaktiert (siehe 4). In der gezeigten Ausführungsform wird das Kunststoffmaterial 28 unter Druck in die abgedichtete und gegebenenfalls zuvor evakuierte Form 12 injiziert, wobei das Kunststoffmaterial 28 die trockenen Fasern des Verstärkungsmaterials 26 durchtränkt. Es handelt sich hier also um ein Injektionsverfahren, das sogenannte Resin Transfer Molding (RTM). Bei der Injektion des Kunststoffmaterials 28 wird sowohl dieses als auch das Verstärkungsmaterial 26 an die Oberflächen 20, 22 beider Formhälften 14, 16 angepresst und so die Dekorstruktur 24 der Oberflächen 20, 22 als Positiv abgebildet.
Anschließend härtet das Kunststoffmaterial 28 in der Form 12 aus, wonach das so gebildete faserverstärkte Kunststoff-Fahrzeuganbauteil 30 aus der Form 12 entnommen werden kann. 5 zeigt das fertige Fahrzeuganbauteil 30, das sowohl auf der Oberseite 32 als auch auf der Unterseite 34 eine Gewebestruktur 36 aufweist, welche ein Positiv der Dekorstruktur 24 der Formhälften 14, 16 darstellt.
Die beiden Oberflächen 20, 22 sind mit unterschiedlichen, einander in einer Art Verriffelungseffekt zu einer Gewebestruktur ergänzenden Strukturen versehen.
Alternativ zum beschriebenen Injektionsverfahren (Resin Transfer Molding) kann das Fahrzeuganbauteil 30 auch in einem Pressverfahren, insbesondere Nasspressverfahren, hergestellt werden. Bei diesem werden trockene Verstärkungsfasern und Kunststoffmaterial 28 in die Form 12 eingebracht, und die Form 12 wird durch Zufahren der Formhälften 14, 16 geschlossen, wodurch das Bauteil gepresst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Werkzeug ermöglicht es, hochwertige, optisch ansprechende Fahrzeuganbauteile mit deutlich geringeren Materialkosten herzustellen. Durch das zudem vereinfachte Verfahren lassen sich so deutlich geringere Stückpreise erzielen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Fahrzeuganbauteils (30), das eine eine Gewebestruktur aufweisende Oberfläche hat, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Verwenden einer Form (12) mit zwei Formhälften (14, 16), die im geschlossenen Zustand eine Kavität (18) bilden und beide Formhälften (14, 16) eine die Kavität (18) begrenzende Oberfläche (20, 22) aufweisen, die mit unterschiedlichen, einander zu einer Gewebestruktur ergänzenden Dekorstrukturen (24) versehen sind; b) Einbringen eines Verstärkungsmaterials (26) in Form ungerichteter Fasern in die Form (12); c) Einbringen eines fließfähigen Kunststoffmaterials (28) in die Form (12), so dass das Kunststoffmaterial (28) die die Kavität (18) begrenzende Oberfläche (20, 22) unmittelbar kontaktiert; d) Anpressen des Verstärkungs- sowie Kunststoffmaterials (26 bzw. 28) an die Oberfläche (20, 22) der beiden Formhälften (14, 16); und e) Aushärten des Kunststoffmaterials (28).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt b) und/oder c) in einem Infusionsverfahren, insbesondere unter Vakuum, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt b) und/oder c) in einem Laminierverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt c) in einem Pressverfahren, insbesondere einem Nasspressverfahren, oder in einem Injektionsverfahren (Resin Transfer Molding) erfolgt.
Werkzeug (10) zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Fahrzeuganbauteils (30), mit einer Form (12), die wenigstens eine eine Kavität (18) begrenzende Oberfläche (20, 22) aufweist, wobei die Oberfläche (20, 22) mit einer Dekorstruktur (24) versehen ist, welche ein Negativ einer beim fertigen Kunststoffteil gewünschten Oberflächenstruktur darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Form zwei Formhälften (14, 16) aufweist, die im geschlossenen Zustand die Kavität (18) bilden und beide Formhälften (14, 16) eine die Kavität (18) begrenzende Oberfläche (20, 22) aufweisen, die mit unterschiedlichen, einander zu einer Gewebestruktur ergänzenden Dekorstrukturen (24) versehen sind.