DE102014210072A1

DE102014210072A1 - Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils und faserverstärktes Kunststoffbauteil

Info

Publication number: DE102014210072A1
Application number: DE102014210072.0A
Authority: DE
Inventors: Johannes Eschl; Nicole Schweizer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-12-03

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils in einem Injektionsverfahren, wobei zunächst ein Faserhalbzeug (100) hergestellt, nachfolgend das Faserhalbzeug (100) in ein Formwerkzeug eingebracht und nachfolgend zum Infiltrieren des Faserhalbzeugs (100) ein Matrixmaterial in das Formwerkzeug injiziert wird, wobei beim Herstellen des Faserhalbzeugs (100) in das Faserhalbzeug wenigstens ein Kanal gezielt eingebracht wird, um ein Infiltrieren des Faserhalbzeugs (100) zu unterstützen, und faserverstärktes Kunststoffbauteil, aufweisend ein Fasermaterial (100) und ein Matrixmaterial, wobei das Fasermaterial (100) in einem Injektionsverfahren mit dem Matrixmaterial infiltriert ist, wobei das Kunststoffbauteil nach einem derartigen Verfahren hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils in einem Injektionsverfahren, wobei zunächst ein Faserhalbzeug hergestellt, nachfolgend das Faserhalbzeug in ein Formwerkzeug eingebracht und nachfolgend zum Infiltrieren des Faserhalbzeugs ein Matrixmaterial in das Formwerkzeug injiziert wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein faserverstärktes Kunststoffbauteil, aufweisend ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial, wobei das Fasermaterial in einem Injektionsverfahren mit dem Matrixmaterial infiltriert ist.
Aus der WO 03/011576 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Einbringen von Verstärkungsfasern in ein textiles Halbzeug, bei dem das Halbzeug zunächst von einer Seite her durch eine rotierende Nadel (”pathway deposition probe”) durchbohrt und beim Zurückziehen der Nadel von der anderen Seite her eine Verstärkungsfaser in den von der Nadel geschaffenen Kanal in das Halbzeug eingeschoben wird.
Aus der DE 10 2006 025 753 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Einbringen von Verstärkungsfasern in ein textiles Halbzeug zur Herstellung von Faserverbundbauteilen, wobei die Verstärkungsfasern zur mechanischen Stabilisierung derselben mit einem verflüssigten Gas umgeben und im mechanisch stabilisierten Zustand in das textile Halbzeug getrieben werden.
Aus der DE 10 2012 215 189 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Fertigen eines Faserverbundbauteils, insbesondere eines Faserverbundbauteils für ein Rotorblatt einer Windenergieanlage, mit folgenden Verfahrensschritten: Einbringen von Fasermaterial für das Faserverbundbauteil in eine Fertigungsform, Zuführen von fließfähigem Matrixmaterial für das Faserverbundbauteil über einen eine Längserstreckung aufweisenden Angusskanal der Fertigungsform unter Anwendung eines Vakuuminfusionsverfahrens, sodass das Fasermaterial in der Fertigungsform mit quer zur Längserstreckung des Angusskanals fließendem Matrixmaterial aus dem Angusskanal getränkt wird, wobei ein erster Bereich des Fasermaterials im Wesentlichen mit Matrixmaterial aus einem ersten Abschnitt des Angusskanals und ein zweiter Bereich des Fasermaterials im Wesentlichen mit Matrixmaterial aus einem zweiten Abschnitt des Angusskanals getränkt wird, und Vorgeben einer ersten Matrixmaterialflussrate für den ersten Abschnitt des Angusskanals in Abhängigkeit einer Dicke des Fasermaterials im ersten Bereich sowie Vorgeben einer zweiten Matrixmaterialflussrate für den zweiten Abschnitt des Angusskanals in Abhängigkeit einer Dicke des Fasermaterials im zweiten Bereich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Insbesondere sollen ein Matrixmaterialfluss und/oder ein Infiltrierverhalten verbessert werden. Insbesondere sollen ein Matrixmaterialfluss und/oder ein Infiltrierverhalten lokal gezielt steuerbar sein. Insbesondere soll ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einem reduzierten Injektions- und/oder Pressdruck herstellbar sein. Insbesondere soll ein faserverstärktes Kunststoffbauteil mit einer erhöhten Qualität herstellbar sein. Außerdem soll ein baulich und/oder funktional verbessertes faserverstärktes Kunststoffbauteil bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils in einem Injektionsverfahren, wobei zunächst ein Faserhalbzeug hergestellt, nachfolgend das Faserhalbzeug in ein Formwerkzeug eingebracht und nachfolgend zum Infiltrieren des Faserhalbzeugs ein Matrixmaterial in das Formwerkzeug injiziert wird und beim Herstellen des Faserhalbzeugs in das Faserhalbzeug wenigstens ein Kanal gezielt eingebracht wird, um ein Infiltrieren des Faserhalbzeugs zu unterstützen.
Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann Verstärkungsfasern aufweisen. Die Verstärkungsfasern können Kohlenstoffasern sein. Die Verstärkungsfasern können Glasfasern, Keramikfasern, Aramidfasern, Borfasern, Basaltfasern, Stahlfasern, Naturfasern, oder Nylonfasern sein. Die Verstärkungsfasern können als Filamentgarn zusammengefasst sein. Die Verstärkungsfasern können als Roving zusammengefasst sein. Die Verstärkungsfasern können zu einem Faserhalbzeug zusammengefasst sein. Das Faserhalbzeug kann ein trockenes Faserhalbzeug sein. Das Faserhalbzeug kann in einem textiltechnischen Verfahren hergestellt werden. Das Faserhalbzeug kann in einem Web-, Lege-, Strick-, Stick- und/oder Flechtverfahren hergestellt werden. Das Faserhalbzeug kann Endlosfasern, Langfasern und/oder Kurzfasern aufweisen. Die Verstärkungsfasern können mit einem Überzug versehen werden. Die Verstärkungsfasern können mit einer Schlichte versehen werden. Die Schlichte kann als Haftvermittler zwischen dem Faserhalbzeug und dem Matrixmaterial dienen. Die Verstärkungsfasern können vorimprägniert sein. Das Faserhalbzeug kann ein Prepreg sein. Das Faserhalbzeug kann ein Faser-Matrix-Halbzeug, wie BMC oder SMC, sein. Das Faserhalbzeug kann ein duroplastisches Faserhalbzeug sein. Das Faserhalbzeug kann ein thermoplastisches Faserhalbzeug sein.
Das Matrixmaterial kann einen Polymer aufweisen. Das Matrixmaterial kann einen Duromer aufweisen. Das Matrixmaterial kann ein Kunstharz aufweisen. Das Matrixmaterial kann einen Elastomer aufweisen. Das Matrixmaterial kann einen Thermoplast aufweisen. Das Matrixmaterial kann einen Biopolymer aufweisen. Das Matrixmaterial kann als fließfähige Formmassen in den Formraum injiziert werden.
Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann in einem Autoklavverfahren, Faserspritzverfahren, Pressverfahren, Pultrusionsverfahren, Spritzgussverfahren, Spritzpressverfahren, Wickelverfahren, Handlaminierverfahren oder Harzinjektionsverfahren hergestellt werden. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann in einem unterdruckunterstützten Verfahren hergestellt werden.
Das Formwerkzeug kann mehrteilig sein. Das Formwerkzeug kann einteilig sein. Das Formwerkzeug kann öffen- und schließbar sein. Das Formwerkzeug kann wenigstens einen Formraum aufweisen. Das Formwerkzeug kann wenigstens einen Angusskanal aufweisen. Der wenigstens eine Angusskanal kann zum Injizieren von Matrixmaterial dienen. Der wenigstens eine in das Faserhalbzeug gezielt eingebrachte Kanal kann mit dem wenigstens einen Angusskanal des Formwerkzeugs korrespondieren.
Beim Herstellen des Faserhalbzeugs kann wenigstens ein Einsatz in das Faserhalbzeug eingebracht werden, um den wenigstens einen Kanal innenseitig abzustützen. Der wenigstens eine Einsatz kann beim Herstellen des Faserhalbzeugs in dem textiltechnischen Verfahren mit eingebracht werden. Der wenigstens eine Einsatz kann mit den Verstärkungsfasern verwebt, verlegt, verstrickt, verstickt und/oder verflochten werden.
Der wenigstens eine Einsatz kann den wenigstens einen Kanal zumindest annähernd vollständig ausfüllen. Der wenigstens eine Einsatz kann vor dem Injizieren des Matrixmaterials zumindest annähernd vollständig entfernt werden. Der wenigstens eine Einsatz kann vor dem Injizieren des Matrixmaterials aus dem Faserhalbzeug herausgezogen werden. Mit dem Entfernen des wenigstens einen Einsatzes kann der wenigstens eine Kanal in dem Faserhalbzeug freigegeben werden.
Der wenigstens eine Einsatz kann zumindest teilweise in dem Faserhalbzeug verbleiben. Der wenigstens eine Einsatz kann einteilig ausgeführt sein. Der wenigstens eine Einsatz kann mehrteilig ausgeführt sein. Ein Teil eines mehrteiligen Einsatzes kann vor dem Injizieren des Matrixmaterials zumindest annähernd vollständig entfernt werden. Ein Teil eines mehrteiligen Einsatzes kann zumindest teilweise in dem Faserhalbzeug verbleiben. Der in dem Faserhalbzeug verbleibende Teil des mehrteiligen Einsatzes kann den wenigstens einen Kanal begrenzen oder mit begrenzen.
Der wenigstens eine Einsatz kann einen Draht aufweisen. Der Draht kann eine linienartige Form aufweisen. Der Draht kann gerade sein oder nur geringe Krümmungen aufweisen. Der Draht kann einen einteiligen Einsatz bilden. Der wenigstens eine Einsatz kann eine Spirale aufweisen. Die Spirale kann um eine Längsachse gewunden sein. Die Spirale kann eine schraubenfederartige Form aufweisen. Die Spirale kann einen einteiligen Einsatz bilden. Die Spirale kann einen Teil eines mehrteiligen Einsatzes bilden. Die Spirale kann einen in dem Faserhalbzeug verbleibenden Teil eines mehrteiligen Einsatzes bilden. Der Draht kann einen Teil eines mehrteiligen Einsatzes bilden. Der Draht kann einen aus dem Faserhalbzeug entfernbaren Teil eines mehrteiligen Einsatzes bilden. Der Draht kann innerhalb der Spirale angeordnet sein. Der wenigstens eine Einsatz kann zumindest abschnittsweise eine Oberfläche mit guten Gleiteigenschaften, insbesondere aus Polytetrafluorethylen, aufweisen. Der wenigstens eine Einsatz kann zumindest annähernd vollständig aus Polytetrafluorethylen bestehen. Der wenigstens eine Einsatz kann oberflächlich mit Polytetrafluorethylen beschichtet oder überzogen sein und einen Kern aus einem anderen Material aufwesien.
Außerdem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst mit einem faserverstärkte Kunststoffbauteil, aufweisend ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial, wobei das Fasermaterial in einem Injektionsverfahren mit dem Matrixmaterial infiltriert ist, wobei das Kunststoffbauteil nach einem derartigen Verfahren hergestellt ist. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann ein Fahrzeugbauteil sein. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann ein Kraftfahrzeugbauteil sein. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann ein Karosseriebauteil sein. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann ein Unterbodenbauteil sein. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann ein Innenausstattungsbauteil sein. Das faserverstärkte Kunststoffbauteil kann ein Verkleidungsbauteil sein.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine Steuerung eines Harzflusses durch Setzen von Angusskanälen. Angusskanäle können gesetzt werden, indem während einer Halbzeugherstellung ein Kabel oder Draht in einen zu unterstützenden Bereich mit verstickt wird. Ein Material des Drahts kann Polytetrafluorethylen oder ein anderes Material mit gleitbarer Oberflächenbeschaffenheit sein. Dieser Draht kann nach einem Umformen/Preformen zur Gestaltung eines im Halbzeug integrierten Angusskanals aus dem Halbzeug gezogen werden. Angusskanäle können gesetzt werden, indem an Stelle eines Drahts oder Kabels eine Spirale, beispielsweise aus Polyethylenterephthalat oder Stahl, bei der Halbzeugherstellung mit verstickt wird, zur gezielten Infiltration in bestimmten Bereichen. Die Spirale kann, falls für den Umformprozess notwendig, vorab auf einem Draht positioniert sein, welcher nach dem Preformen entfernt wird. Die beiden Optionen können bedarfsgerecht ausgewählt werden.
Mit „kann” sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
Mit der Erfindung werden ein Matrixmaterialfluss und/oder ein Infiltrierverhalten verbessert. Ein Matrixmaterialfluss und/oder ein Infiltrierverhalten sind lokal gezielt steuerbar. Ein faserverstärktes Kunststoffbauteil ist mit einem reduzierten Injektions- und/oder Pressdruck herstellbar. Ein faserverstärktes Kunststoffbauteil ist mit einer erhöhten Qualität herstellbar. Außerdem wird ein baulich und/oder funktional verbessertes faserverstärktes Kunststoffbauteil bereitgestellt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:
1 ein Faserhalbzeug mit Draht-Einsätzen zum gezielten Einbringen von Kanälen und
2 ein Faserhalbzeug mit Spiral-Einsätzen zum gezielten Einbringen von Kanälen.
1 zeigt ein Faserhalbzeug 100 mit Draht-Einsätzen, wie 102, zum gezielten Einbringen von Kanälen. Das Faserhalbzeug 100 weist Kohlenstofffasern auf. Das Faserhalbzeug 100 weist mehrere textilartige Lagen bzw. Abschnitte auf. Die Lagen bzw. Abschnitte sind in einem Stickverfahren miteinander verbunden bzw. gegeneinander fixiert. Die Lagen bzw. Abschnitte sind mittels Durchziehen von Fäden miteinander verbunden bzw. gegeneinander fixiert. Die Draht-Einsätze 102 sind bei einer Herstellung der textilartigen Lagen bzw. Abschnitte und/oder bei einem Verbinden bzw. Fixieren der Lagen bzw. Abschnitte mit eingebracht. Die Draht-Einsätze 102 sind an vorgegebenen Positionen und mit vorgegebenen Verläufen angeordnet.
Die Draht-Einsätze 102 weisen jeweils eine Oberfläche aus Polytetrafluorethylen auf. Die Draht-Einsätze 102 sind jeweils biegsam. Die Draht-Einsätze 102 erstrecken sich ausgehend von einer Oberfläche des Faserhalbzeugs 100 in das Innere des Faserhalbzeugs 100 oder durch das Innere des Faserhalbzeugs 100 hindurch. Die Draht-Einsätze 102 stehen jeweils mit einem Ende oder mit beiden Enden über eine Oberfläche des Faserhalbzeugs 100 über. Damit können die Draht-Einsätze 102 gegriffen werden, um sie aus dem Faserhalbzeug 100 herauszuziehen.
Das Faserhalbzeug 100 dient dazu, nachfolgend mit einem Matrixmaterial infiltriert zu werden. Dazu wird das Faserhalbzeug 100 in ein Formwerkzeug eingelegt. Die Draht-Einsätze 102 werden herausgezogen, um in dem Faserhalbzeug 100 Kanäle freizugeben. Die Draht-Einsätze 102 können vor oder nach dem Einlegen des Faserhalbzeugs 100 in das Formwerkzeug herausgezogen werden. Die Draht-Einsätze 102 können nach einer Herstellung des Faserhalbzeugs 100 herausgezogen werden, sobald das Faserhalbzeug 100 hinreichend stabilisiert ist, sodass ein innenseitiges Abstützen einzubringender Kanäle nicht mehr erforderlich ist. Die in dem Faserhalbzeug 100 freigegebenen Kanäle können mit Angusskanälen des Formwerkzeugs korrespondieren, wenn das Faserhalbzeug 100 in das Formwerkzeug eingelegt ist. Durch die Angusskanäle des Formwerkzeugs einströmendes Matrixmaterial infiltriert dann das Faserhalbzeug 100 und strömt in bzw. durch die freigegebenen Kanäle.
2 zeigt ein Faserhalbzeug 200 mit Spiral-Einsätzen, wie 202, zum gezielten Einbringen von Kanälen. Die Spiral-Einsätze 202 sind bei einer Herstellung der textilartigen Lagen bzw. Abschnitte und/oder bei einem Verbinden bzw. Fixieren der Lagen bzw. Abschnitte mit eingebracht. Gegebenenfalls sind die Spiral-Einsätze 202 jeweils Teil eines mehrteiligen Einsatzes, wobei in den Spiral-Einsätzen 202 jeweils Drähte als weitere Einsatz-Teile angeordnet sind, um ein Einbringen der Spiral-Einsätze 202 in das Faserhalbzeug 200 zu ermöglichen bzw. zu erleichtern. Falls die Spiral-Einsätze 202 innenliegende Drähte aufweisen, können diese Drähte zum Freigeben von Kanälen aus dem Faserhalbzeug 200 herausgezogen werden und die Spiral-Einsätze 202 können in dem Faserhalbzeug 200 verbleiben, um die Kanäle innenseitig abzustützen. Andernfalls können die Spiral-Einsätze 202 ihrerseits aus dem Faserhalbzeug 200 herausgezogen werden, um sprialförmige Kanäle freizugeben. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Bezugszeichenliste

100: Faserhalbzeug
102: Draht-Einsatz
200: Faserhalbzeug
202: Spiral-Einsatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03/011576 A1 [0002]
DE 102006025753 A1 [0003]
DE 102012215189 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffbauteils in einem Injektionsverfahren, wobei zunächst ein Faserhalbzeug (100, 200) hergestellt, nachfolgend das Faserhalbzeug (100, 200) in ein Formwerkzeug eingebracht und nachfolgend zum Infiltrieren des Faserhalbzeugs (100, 200) ein Matrixmaterial in das Formwerkzeug injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen des Faserhalbzeugs (100, 200) in das Faserhalbzeug wenigstens ein Kanal gezielt eingebracht wird, um ein Infiltrieren des Faserhalbzeugs (100, 200) zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen des Faserhalbzeugs (100, 200) wenigstens ein Einsatz (102, 202) in das Faserhalbzeug (100, 200) eingebracht wird, um den wenigstens einen Kanal innenseitig abzustützen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einsatz (102, 202) vor dem Injizieren des Matrixmaterials zumindest annähernd vollständig entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einsatz (102, 202) zumindest teilweise in dem Faserhalbzeug (200) verbleibt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einsatz (102, 202) einteilig oder mehrteilig ausgeführt ist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einsatz (102) einen Draht aufweist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einsatz (202) eine Spirale aufweist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2–7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Einsatz (102, 202) zumindest abschnittsweise eine Oberfläche mit guten Gleiteigenschaften, insbesondere aus Polytetrafluorethylen, aufweist.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 2–8, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserhalbzeug (100, 200) in einem textiltechnischen Verfahren hergestellt und der wenigstens eine Einsatz (102, 202) beim Herstellen des Faserhalbzeugs (100, 200) in dem textiltechnischen Verfahren mit eingebracht wird.
Faserverstärktes Kunststoffbauteil, aufweisend ein Fasermaterial (100, 200) und ein Matrixmaterial, wobei das Fasermaterial (100, 200) in einem Injektionsverfahren mit dem Matrixmaterial infiltriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffbauteil nach einem Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.