DE102014200801A1

DE102014200801A1 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils sowie Kern zur Verwendung in einem solchen Verfahren

Info

Publication number: DE102014200801A1
Application number: DE102014200801.8A
Authority: DE
Inventors: Torben Effner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-23

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils durch Umgeben, insbesondere Umflechten, eines formgebenden Kerns (10) mit Verstärkungsfasern (18), die mit einem Kunststoffmaterial getränkt werden, weist folgende Schritte auf: Fertigen des Kerns (10), wobei an einer Außenfläche (12) des Kerns (10) erhabene Strukturen (14) erzeugt werden; Aufbringen von Verstärkungsfasern (18) auf den Kern (10), wobei zumindest einige der Verstärkungsfasern (18) zwischen den erhabenen Strukturen (14) angeordnet werden; Tränken der Verstärkungsfasern (18) mit einem Kunststoffmaterial und Aushärten des Kunststoffmaterials. Außerdem wird ein Kern (10) zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils durch Umgeben, insbesondere Umflechten, eines formgebenden Kerns mit Verstärkungsfasern, die mit einem Kunststoffmaterial getränkt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Kern zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, wobei der Kern mit Verstärkungsfasern umgeben, insbesondere umflochten, wird.
Zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffteilen ist es bekannt, einen formgebenden Kern 1 (siehe 1), der durch Blasformen, aus Schaum oder aus Sand vorgefertigt wird, mit Verstärkungsfasern 2 zu umflechten, diese anschließend mit einem auch als Harz bezeichneten Kunststoffmaterial zu tränken und dieses Kunststoffmaterial auszuhärten. Dabei kann der Kern 1 im fertigen Bauteil verbleiben oder, beispielsweise durch Auswaschen, entfernt werden. Nachteilig bei der Herstellung derartiger Bauteile ist, dass es insbesondere bei komplexen Kerngeometrien, wie sie bei Blasformkernen und Schaumkernen erreichbar sind, in Bereichen der Kernoberfläche 3, in denen sich der Krümmungsradius stark ändert, zu einem Abgleiten bzw. zu einer Verschiebung der Verstärkungsfasern 2 kommen kann. Durch ein solches Abgleiten einer Verstärkungsfaser 2 aus der in 1 gestrichelt angedeuteten Soll-Position 4 in die Ist-Position 4a entsteht eine unerwünschte Lücke 5 zwischen zwei Verstärkungsfasern und somit im weiteren Verfahrensverlauf ein besonders harzreicher Bereich, der die Mechanik des Bauteils negativ verändern kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bzw. einen formgebenden Kern bereitzustellen, bei dem dieses Problem vermieden wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist dazu ein Verfahren der eingangs genannten Art die folgenden Schritte auf:

a) Fertigen des Kerns, wobei an einer Außenfläche des Kerns erhabene Strukturen erzeugt werden;
b) Aufbringen von Verstärkungsfasern auf den Kern, wobei zumindest einige der Verstärkungsfasern zwischen den erhabenen Strukturen angeordnet werden;
c) Tränken der Verstärkungsfasern mit einem Kunststoffmaterial; und
d) Aushärten des Kunststoffmaterials.

Die am Kern angeformten erhabenen Strukturen, die von der gegebenenfalls bereits eine Krümmung aufweisenden Grundgeometrie des Kerns als Vorsprünge abstehen, verhindern dabei ein Verrutschen bzw. Abgleiten der Verstärkungsfasern, so dass diese im weiteren Verfahrenslauf im gewünschten Abstand zueinander verbleiben. Theoretisch wäre es hierbei denkbar, bereits vorgetränkte Fasern auf den Kern aufzubringen; üblicherweise werden jedoch trockene Fasern verwendet, die anschließend mit Kunststoffmaterial getränkt werden. Zur Erzeugung der erhabenen Strukturen oder Vorsprünge ist bevorzugt im Formgebungswerkzeug des Kerns eine entsprechende Oberflächenstruktur als Negativ vorgesehen, die dann am fertigen Kern die gewünschten erhabenen Bereiche produziert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich bei der Bauteilfertigung die Schwankungsbreite reduzieren und die Bauteilperformance im Hinblick auf mechanische Kennwerte homogenisieren. Daraus ergeben sich eine Ausschuss- und damit Kostenreduzierung sowie eine Erhöhung der Sicherheit.
Vorzugsweise sind zumindest einige der Verstärkungsfasern als parallel verlaufende Stehfäden ausgebildet. Diese bewirken eine erhöhte Stabilität und können z. B. einem Geflecht als zusätzliche Fäden zugeführt werden, die zwischen den Flecht- oder Kreuzungsfäden eingebunden werden, aber gestreckt in Abzugsrichtung der Flechtmaschine (0°) verlaufen. Alternativ lässt sich durch Abziehen eines Flechtkerns bei stillstehender Flechtmaschine eine reine 0°-Lage erzeugen, welche allerdings zusätzlich fixiert werden sollte. Die Stehfäden, die natürlich auch auf andere Weise auf den Kern aufgebracht werden könnten, verlaufen somit üblicherweise parallel zu dessen Längsachse.
Zusätzlich zu den Stehfäden können Kreuzungsfäden in einem Flechtverfahren auf den Kern aufgebracht werden. Diese können ebenfalls aus dem Verstärkungsmaterial gebildet sein, oder, alternativ, aus dünneren Stützfäden bestehen, die lediglich die Stehfäden fixieren (sogenanntes UD-Geflecht).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich zwischen den erhabenen Strukturen strukturfreie Bereiche, die insbesondere parallel zur Kernlängsrichtung verlaufen. In diesen strukturfreien Bereichen werden die Verstärkungsfasern angeordnet und sind somit durch die erhabenen Strukturen an einer Verschiebung oder Abgleitung gehindert. Bei parallel zur Kernlängsrichtung verlaufenden Stehfäden sind natürlich auch die strukturfreien Bereiche entsprechend orientiert.
Die erhabenen Strukturen sind vorzugsweise als Vorsprünge ausgebildet, die zwischen sich eine Aufnahme bilden, in der zumindest eine Verstärkungsfaser gelagert ist. Dabei kann der Faden bzw. die Verstärkungsfaser auf entgegengesetzten Seiten von erhabenen Strukturen bzw. Vorsprüngen begrenzt sein, wodurch eine seitliche Verschiebung in beiden Richtungen verhindert wird; es liegt also genau eine Verstärkungsfaser zwischen benachbarten Vorsprüngen. Natürlich wäre es auch denkbar, mehrere Verstärkungsfasern zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen vorzusehen.
In einer ersten Variante handelt es sich bei den erhabenen Strukturen um linienartige Erhebungen, die insbesondere in Kernlängsrichtung verlaufen.
Alternativ oder zusätzlich können die erhabenen Strukturen als Noppen gestaltet sein, die ebenfalls ein unerwünschtes Verschieben der Verstärkungsfasern verhindern.
Dabei können die erhabenen Strukturen über die gesamte Außenfläche des Kerns verteilt sein, so dass alle Verstärkungsfasern gegen Verschieben gesichert sind.
In einer alternativen Ausgestaltung sind die erhabenen Strukturen lokal an Bereichen der Außenfläche des Kerns vorgesehen, an denen sich ein Krümmungsradius ändert. In diesen Bereichen sind die Verstärkungsfasern besonders anfällig für Abgleitungen und Verschiebungen, weshalb es oftmals ausreicht, sie in diesen Bereichen durch erhabene Strukturen zu fixieren.
Wie bereits eingangs erwähnt, gibt es verschiedene mögliche Herstellungsverfahren für den Kern, beispielsweise Blasformen oder eine Fertigung aus Schaum oder Formsand.
Die vorliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch einen Kern der eingangs genannten Art, wobei an einer Außenfläche des Kerns erhabene Strukturen vorgesehen sind, zwischen denen Verstärkungsfasern angeordnet werden können. Diese erhabenen Strukturen verhindern eine Verschiebung bzw. ein Abgleiten der Verstärkungsfasern, insbesondere in Bereichen der Außenfläche des Kerns, in denen sich der Krümmungsradius ändert.
Überdies gelten alle mit Bezug auf das Verfahren genannten Weiterbildungen und Vorteile auch für den erfindungsgemäßen Kern.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
1 eine perspektivische Teilansicht eines Kerns gemäß dem Stand der Technik;
2 eine perspektivische Teilansicht eines Kerns gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
3 eine perspektivische Teilansicht eines Kerns gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt einen durch Blasformen hergestellten Kern 10, der an seiner Außenfläche 12 erhabene Strukturen 14 in Form linienartiger Erhebungen aufweist, die beim Blasformen durch eine entsprechende Oberflächenstruktur des Formgebungswerkzeug mit angeformt werden. Alternativ zum Blasformen kann der Kern 10 aus Schaum oder Formsand gefertigt werden.
Zwischen den erhabenen Strukturen 14 befinden sich strukturfreie Bereiche 16, die parallel zur Kernlängsrichtung L verlaufen und Aufnahmen für Verstärkungsfasern 18 bilden. Die Verstärkungsfasern 18, hier in Form parallel verlaufender Stehfäden aus Kohlefaser, werden nach der Fertigung des Kerns 10 auf diesen aufgebracht. Dabei ist in jeder Aufnahme eine Verstärkungsfaser 18 gelagert, welche zu beiden Seiten durch die als Vorsprünge ausgeführten erhabenen Strukturen 14 begrenzt ist.
Zusätzlich zu den Stehfäden können auch Kreuzungsfäden in einem Flechtverfahren auf den Kern 10 aufgebracht werden (hier nicht gezeigt).
Bei der gezeigten Ausführung sind die erhabenen Strukturen 14 über die gesamte Außenfläche 12 des Kerns 10 verteilt.
Nachdem die Verstärkungsfasern 18 auf den Kern 10 aufgebracht wurden, werden sie in bekannter Weise mit einem fließfähigen Kunststoffmaterial getränkt, welches anschließend ausgehärtet wird (in den Figuren nicht gezeigt).
Durch die erhabenen Strukturen 14 wird eine Verschiebung bzw. ein Abgleiten der zwischen ihnen angeordneten Verstärkungsfasern 18, wie es aus dem Stand der Technik (1) bekannt ist, wirkungsvoll verhindert. Auf diese Weise erhält man genau definierte Abstände zwischen den einzelnen Verstärkungsfasern 18, die auch im weiteren Verfahrensverlauf erhalten bleiben.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kerns 10, die sich von der Ausgestaltung gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass die erhabenen Strukturen 14 als kleine Noppen ausgebildet sind, die außerdem nicht über die gesamte Außenfläche 12 des Kerns 10 verteilt sind, sondern nur lokal in einem Bereich 20 vorgesehen sind, in dem sich ein Krümmungsradius der Außenfläche 12 ändert.
Auch diese Noppen weisen zwischen sich strukturfreie Bereiche 16 auf, die als Aufnahmen für die parallel zur Kernlängsrichtung L verlaufenden Verstärkungsfasern 18 dienen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils durch Umgeben, insbesondere Umflechten, eines formgebenden Kerns (10) mit Verstärkungsfasern (18), die mit einem Kunststoffmaterial getränkt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Fertigen des Kerns (10), wobei an einer Außenfläche (12) des Kerns (10) erhabene Strukturen (14) erzeugt werden; b) Aufbringen von Verstärkungsfasern (18) auf den Kern (10), wobei zumindest einige der Verstärkungsfasern (18) zwischen den erhabenen Strukturen (14) angeordnet werden; c) Tränken der Verstärkungsfasern (18) mit einem Kunststoffmaterial; und d) Aushärten des Kunststoffmaterials.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Verstärkungsfasern (18) als parallel verlaufende Stehfäden ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den Stehfäden Kreuzungsfäden in einem Flechtverfahren auf den Kern (10) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den erhabenen Strukturen (14) strukturfreie Bereiche (16) befinden, die insbesondere parallel zur Kernlängsrichtung (L) verlaufen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen Strukturen (14) als Vorsprünge ausgebildet sind, die zwischen sich eine Aufnahme bilden, in der zumindest eine Verstärkungsfaser (18) gelagert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den erhabenen Strukturen (14) um linienartige Erhebungen handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den erhabenen Strukturen (14) um Noppen handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen Strukturen (14) über die gesamte Außenfläche (12) des Kerns (10) verteilt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen Strukturen (14) lokal an Bereichen (20) der Außenfläche (12) des Kerns (10) vorgesehen sind, an denen sich ein Krümmungsradius ändert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (10) durch Blasformen oder aus Schaum oder Formsand gefertigt wird.
Kern zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils, wobei der Kern (10) mit Verstärkungsfasern (18) umgeben, insbesondere umflochten, wird, vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Außenfläche (12) des Kerns (10) erhabene Strukturen (14) vorgesehen sind, zwischen denen Verstärkungsfasern (18) angeordnet werden können.