DE102014224646A1

DE102014224646A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils

Info

Publication number: DE102014224646A1
Application number: DE102014224646.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Eschl; Bernhard Staudt; Bernd Zacherle
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils (100). Das Verfahren umfasst die Schritte: – Bereitstellen eines Stützkerns (1, 11), – Ausbilden mindestens eines Angusskanals (2) an einer Außenoberfläche (4) des Stützkerns (1, 11), – Umformen des Stützkerns (1, 11) mit Fasermaterial (32), – Positionieren des mit Fasermaterial (32) umgebenen Stützkerns (1, 11) in einem Werkzeug (30), – Aufbringen von härtbarem Kunststoffmaterial (35) auf das Fasermaterial (32) durch Einbringen des härtbaren Kunststoffmaterials (35) in das Werkzeug (30) und – Härten des Kunststoffmaterials (35).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochqualitativer Faserverbundkunststoffhohlbauteile. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils verwendbaren Stützkern sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Stützkerns.
Zur Herstellung faserverstärkter Kunststoffhohlbauteile werden unter anderem das sogenannte RTM(Resin-Transfer-Moulding)-Verfahren und das Vakuum-Injektionsverfahren angewendet. Hierbei werden Lagen eines Fasermaterials auf einen Stützkern aufgebracht, der als Negativform die Innenkontur des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffhohlbauteils abbildet. Diese Einheit aus Stützkern und Fasermaterial wird daraufhin in ein Werkzeug eingelegt, das als Negativform die Außenkontur des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffbauteils abbildet. Durch Einbringen eines härtbaren Kunststoffmaterials in das Werkzeug wird das Fasermaterial mit härtbarem Kunststoffmaterial getränkt und erhält nach dem Aushärten des Kunststoffmaterials seine endgültige Form. Ein solches Verfahren ist aus DE 10 2007 026 229 A1 bekannt. Als Material für den Stützkern werden wasserdispergierbare Binder und Zusätze beschrieben. DE 10 2005 056 420 A1 beschreibt mit Feststoff befüllbare Beutel zur Verwendung als Stützkern. Nachteilig an herkömmlichen Stützkernen ist, dass das Kunststoffmaterial im Werkzeug lediglich über einen Spalt zwischen der Außenoberfläche des Fasermaterials und der Werkzeuginnenoberfläche oder durch Zwischenräume zwischen den Fasern (Fäden) des Geleges transportiert werden kann. Dies führt selbst bei hohen Einfülldrücken des Kunststoffmaterials oft zu einer unvollständigen Verteilung entlang des Fasermaterials, so dass trockene Fehlstellen im Fasermaterial verbleiben, die nicht oder nicht ausreichend mit Harz getränkt sind. Dies äußert sich in Qualitätseinbußen im Faserverbundkunststoffhohlbauteil.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundkunststoffhohlbauteilen anzugeben, das eine gleichmäßige Verteilung des Kunststoffmaterials im Fasermaterial ermöglicht und somit eine Bildung von Fehlstellen an Kunststoffmaterial verhindert. Eine weitere Aufgabe ist es einen Stützkern bereitzustellen, der eine einfache Struktur aufweist, kostengünstig herstellbar ist und die Herstellung hochqualitativer Faserverbundkunststoffhohlbauteile ermöglicht. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfach umsetzbares und damit kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Stützkerns bereitzustellen.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Faserverbundkunststoffhohlbauteilen erfindungsgemäß durch das Ausbilden mindestens eines Angusskanals an einer Außenoberfläche des Stützkerns gelöst. Der Angusskanal wird also so an der Oberfläche des Stützkerns ausgebildet, dass er zwischen dem später auf den Stützkern aufzubringenden Fasermaterial und dem Material des Stützkerns geformt wird. Dies kann im einfachsten Fall durch Fräsen einer Nut, Schleifen oder ein anderweitiges Ausnehmen oder Verformen von Stützkernmaterial oder einer Oberfläche des Stützkerns erfolgen. Ebenso kann der Angusskanal auch schon bei der Herstellung des Stützkerns eingeformt werden. Vorteilhaft wird der Angusskanal mit dem Einlass des härtbaren Kunststoffmaterials im Werkzeug verbunden. Durch das Ausbilden des Angusskanals ergeben sich damit Strömungsbahnen des Kunststoffmaterials nicht nur entlang eines zwischen der Oberfläche des Fasermaterials und einer Werkzeuginnenoberfläche vorhandenen Spalts, sondern zusätzlich auch zwischen Stützkern und Fasermaterial. Das Kunststoffmaterial verteilt sich folglich schneller und gleichmäßiger im Fasermaterial und durchtränkt dieses sehr gut und vollständig in vorgesehenen Bereichen. Fehlstellen an Kunststoffmaterial werden vermieden. Dies wirkt sich positiv auf die Qualität des herzustellenden Faserverbundkunststoffhohlbauteils, und insbesondere auf seine Stabilität, aus. Als Fasermaterial kommen alle gängigen Fasermaterialien in Frage, die beispielhaft, Stahlfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern, Polyamidfasern oder auch Naturfasern wie Zellulosefasern, Jutefasern, Hanffasern und dergleichen, sowie auch Mischungen unterschiedlicher Fasermaterialien, umfassen können. Das Fasermaterial wird nach dem Ausbilden des oder der vorgesehenen Angusskanäle im Stützkern auf die Außenoberfläche des Stützkerns aufgebracht. Ein Umformen des Stützkerns mit Fasermaterial kann z. B. durch Umwickeln des Stützkerns mit Faserlagen ausgeführt werden. Vorteilhaft kann das Fasermaterial zusätzlich auf dem Stützkern befestigt werden, beispielsweise indem ein Ende des Fasermaterials auf der Oberfläche des Fasermaterials gefügt, z. B. verklebt, vernäht oder geclipst wird, um ein Ablösen von Fasermaterial vor dem Kunststoffauftrag zu verhindern. Zum Aufbringen des härtbaren Kunststoffmaterials auf das Fasermaterial werden das Fasermaterial und der Stützkern erfindungsgemäß in ein Werkzeug transferiert und dort positioniert. Das Fasermaterial und der Stützkern können hierbei sowohl als Einheit in das Werkzeug eingelegt oder nacheinander eingebracht werden. Als Werkzeug kommen herkömmliche RTM-Werkzeuge oder Vakuum-Injektionswerkzeuge zur Anwendung. Damit kann erfindungsgemäß durch einfache Modifikation eines herkömmlichen Verfahrens, nämlich durch den erfindungsgemäßen Schritt des Formens bzw. Ausbildens mindestens eines Angusskanals an der Außenoberfläche des verwendeten Stützkerns unter Verwendung gängiger Werkzeuge ein Faserverbundkunststoffhohlbauteil mit erhöhter Qualität kostengünstig hergestellt werden.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Fasermaterial ein Fasergelege, Fasergewebe, Fasergeflecht, Faservlies oder ein Fasergestricke verwendet wird. Hierunter haben sich Fasergeflechte als besonders vorteilhaft erwiesen, da sie sich durch eine hohe Zug- und Druckbelastbarkeit auszeichnen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht daher vor, dass das Umformen des Stützkerns mit Fasermaterial durch Umflechten des Stützkerns ausgeführt wird. Mit anderen Worten wird ein Fasergeflecht direkt auf den mit dem Angusskanal bzw. den Angusskanälen präparierten Stützkern aufgeflochten. Zusätzliche Befestigungsmaßnahmen, um ein Verrutschen des Fasermaterials auf dem Stützkern zu unterbinden, können entfallen. Darüber hinaus fällt durch ein Umflechten des Stützkerns mit Fasermaterial wenig Verschnitt an.
Der Stützkern ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann aus gängigen Materialien hergestellt werden, die das Ausformen von Angusskanälen und eine Umsetzung im Werkzeug ermöglichen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht der Stützkern aus einem Vollmaterial. Geeignete Vollmaterialien umfassen Kunststoffmaterialien, Metalle, Zellulosen, Gips, Holz, gebundenen Sand, Wachs und andere. Vollmaterialien sind insbesondere deshalb vorteilhaft, weil an ihrer Oberfläche sehr einfach Angusskanäle gebildet werden können. Das Kernmaterial bietet eine hohe Stabilität, um mit geeigneten Werkzeugen Angusskanäle in die Oberfläche einzuformen. Bei der Verwendung von Kunststoffmaterialien als Stützkernmaterial bietet sich zudem die Möglichkeit Angusskanäle bereits bei deren Herstellung, z. B. in einem Spritzgusswerkzeug, mit auszubilden. Kunststoffmaterialien haben zudem ein geringes Eigengewicht und können daher auch im Faserverbundkunststoffhohlbauteil verbleiben ohne dessen Gesamtgewicht wesentlich zu beeinträchtigen.
Als besonders vorteilhaft im Lichte einer Gewichtsersparnis und Kostenersparnis hat sich ein Stützkern erwiesen, der aus einem Schaummaterial besteht. Schaummaterialien, und darunter insbesondere Kunststoffschäume, wie z. B. Polyurethanschäume, zeichnen sich aufgrund des in den Poren eingeschlossenen Gases (Treibgas oder Luft), durch ein geringes Eigengewicht aus, sind formbeständig und leicht umformbar. Schaumstützkerne können zudem in beliebiger Form kostengünstig hergestellt werden.
Um ein Eindringen von härtbarem Kunststoffmaterial in den Stützkern zu vermeiden, ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine Oberfläche des gebildeten Angusskanals vor dem Aufbringen des Fasermaterials versiegelt wird. Etwaige Poren oder Risse, die sich z. B. während des Formens des Angusskanals gebildet haben, werden somit geschlossen und verhindern ein Eindringen von Kunststoffmaterial. Somit wird der Verbrauch an Kunststoffmaterial gesenkt. Zudem kann, z. B. beim Verbleib des Stützkerns im Faserverbundkunststoffhohlbauteil Gewicht reduziert werden. Ferner kann auch ein etwaiges Ablösen des ausgehärteten Faserverbundkunststoffhohlbauteils vom Stützkern nach Beendigung des Verfahrens erleichtert werden. Geeignete Versiegelungen enthalten beispielhaft einen Epoxidklebstoff oder einen Polyurethanklebstoff. Ein Versiegeln des gebildeten Angusskanals hat sich insbesondere bei Verwendung eines Schaummaterials für den Stützkern als vorteilhaft erwiesen. Wie bereits dargelegt sind übliche Schaummaterialien geschlossenporige bzw. geschlossenzellige Schäume. Durch Bearbeitung der Außenoberfläche zur Bildung des Angusskanals werden die an der Oberfläche liegenden Poren oder Zellen geöffnet und können Kunststoffmaterial aufnehmen. Dies wird durch eine Versiegelung des Angusskanals verhindert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Stützkern ein Hohlkern. Dies bedeutet, dass die Wandung des Stützkerns die Negativform der Innenkontur des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffhohlbauteils abbildet. Im Inneren des Hohlkerns ist ein Hohlraum. Durch die Verwendung eines Hohlkerns wird beim Verbleib des Hohlkerns im Faserverbundkunststoffhohlbauteil nach Fertigstellung desselben sein Gesamtgewicht nicht wesentlich erhöht. Ein Schritt des Entfernens des Stützkerns nach Fertigstellung des Faserverbundkunststoffhohlbauteils kann damit entfallen. Zudem sind Hohlkerne günstig herstellbar und meist auch wiederverwendbar, so dass zusätzlich Kosten für das erfindungsgemäße Verfahren eingespart werden können.
Zur Stabilisierung der Form des Stützkerns, insbesondere während des Auftrags des härtbaren Kunststoffmaterials, ist es von Vorteil, wenn der Stützkern mit einem Medium befüllt wird. Dies kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Aufgrund der einfachen Anwendung sind Flüssigkeiten oder Gase besonders gut geeignet.
Um Deformationen am Bauteil und auch um Bereiche mit Harzüberschüssen zu vermeiden, ist vorteilhaft ein Innendruck des Stützkerns während des Aufbringens des härtbaren Kunststoffmaterials mindestens so groß ist wie ein Druck des härtbaren Kunststoffmaterials durch das Fasermaterial und den Stützkern.
Insbesondere bei Stützkernen mit dünnen Wandstärken, also bei solchen Stützkernen, die sich im erfindungsgemäßen Verfahren z. B. durch Druckanwendung oder Temperatureinflüsse besonders leicht deformieren lassen, sowie auch bei komplexen Geometrien, in denen das Faserverbundkunststoffhohlbauteil zu erstellen ist, hat sich das Anordnen einer wärmeformbeständigen Verstärkungsstruktur entlang einer Oberfläche des Angusskanals zwischen Fasermaterial und Stützkern als vorteilhaft erwiesen. Die Verstärkungsstruktur dient der Stabilisierung der Form des Angusskanals und wird auf einer dem später aufzubringenden Fasermaterial zugewandten Außenoberfläche des Stützkerns im Bereich des Angusskanals vorgesehen. Sie bildet den Angusskanal mindestens abschnittsweise nach und kann sich auch entlang einer Außenkontur des Stützkerns, auf Bereiche, die an den Angusskanal angrenzen, erstrecken. Vorzugsweise ist das Material der Verstärkungsstruktur wärmeformbeständiger als der Stützkern. Während der Stützkern vorzugsweise weich und nachgiebig ausgebildet ist, um über den Innendruck eine Wandstärke des Faserverbundkunststoffhohlbauteils einstellen zu können, trägt eine höhere Wärmeformbeständigkeit der Verstärkungsstruktur zum Verhindern einer Verformung des Stützkerns im Bereich des Angusskanals bei.
Aus Kostengründen, aus Gründen der guten Herstellbarkeit und auch aufgrund der guten Wärmeformbeständigkeit haben sich Verstärkungsstrukturen aus Polycarbonat, Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid als besonders vorteilhaft erwiesen.
Um einem Verrutschen der Verstärkungsstruktur und damit einer Deformation des gebildeten Angusskanals entgegenzuwirken, hat es sich als vorteilhaft erwiesen die Verstärkungsstruktur mindestens abschnittsweise mit der Oberfläche des Angusskanals formschlüssig und/oder stoffschlüssig zu verbinden. Dies kann z. B. durch Bilden einer Hinterschneidung oder durch Verkleben eines Bereichs der Oberfläche des Angusskanals mit der Verstärkungsstruktur ausgeführt werden.
Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Stützkern zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils beschrieben. An einer Außenoberfläche des erfindungsgemäßen Stützkerns ist mindestens ein Angusskanal ausgebildet. Der erfindungsgemäße Stützkern weist bei einfacher Struktur eine hohe Funktionalität auf. Durch den ausgebildeten Angusskanal kann, bei Verwendung des Stützkerns zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils in einem Werkzeug, die Verteilbarkeit von härtbarem Kunststoffmaterial verbessert werden. Der Angusskanal ist ausgebildet, das Kunststoffmaterial an schwer zugängliche Bereiche eines umgebenen Fasermaterials zu transportieren, was die Herstellung eines hoch qualitativen Faserverbundkunststoffhohlbauteils mit hoher Taktung ermöglicht.
Beispielhaft umfasst der Stützkern eine Grundstruktur, die aus einem Vollmaterial gebildet ist, insbesondere aus einem porenhaltigen Material, vorzugsweise aus einem Kunststoffschaum.
Um ein Eindringen von Kunststoffmaterial in die Oberflächenstrukturen des Stützkerns über den Angusskanal zu verhindern, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass eine Oberfläche des Angusskanals eine Versiegelung aufweist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von porenhaltigem Material als Stützkernmaterial von Vorteil. Durch das Ausbilden des Angusskanals werden die an der Oberfläche des Angusskanals liegenden Poren geöffnet, so dass sie mit Kunststoffmaterial durchströmt werden können. Die Versiegelung schließt diese Poren und verhindert somit ein Eindringen des Kunststoffmaterials in den Stützkern. Dadurch kann Kunststoffmaterial eingespart werden. Ebenfalls verringern sich damit die Materialkosten für das herzustellende Faserverbundkunststoffhohlbauteil.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stützkerns ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkern eine Hohlstruktur umfasst an deren Außenoberfläche mindestens ein Angusskanal ausgebildet ist, wobei der Angusskanal durch eine wärmeformbeständige Verstärkungsstruktur abgestützt ist. Die Verstärkungsstruktur verläuft mindestens abschnittsweise entlang einer Kontur des geformten Angusskanals und kann vorteilhafterweise mit diesem stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden sein. Eine Wärmeformbeständigkeit des Materials der Verstärkungsstruktur ist dabei vorteilhafterweise größer als eine Wärmeformbeständigkeit des Materials des Stützkerns. So kann Deformationen des Angusskanals besonders gut entgegengewirkt werden. Die Verstärkungsstruktur hält damit während des Einbringens von Kunststoffmaterial auf ein den Stützkern umgebendes Fasermaterial den Angusskanal offen, so dass das Kunststoffmaterial das Fasermaterial auch von Seiten des Stützkerns, genauer gesagt des Angusskanals, her durchdringen kann. Der Stützkern zeichnet sich bei einfacher Struktur durch eine hohe Funktionalität aus, ist kostengünstig in beliebiger Form herstellbar und sogar wiederverwendbar. Der Stützkern zeichnet sich durch seine Hohlstruktur ferner durch eine sehr gute Formbarkeit zur Nachbildung selbst komplexer Formen im Faserverbundkunststoffhohlbauteil aus und besitzt ein geringes Eigengewicht, so dass ein Verbleib des Stützkerns im fertiggestellten Faserverbundkunststoffhohlbauteil sich nicht wesentlich auf das Gesamtgewicht des Faserverbundkunststoffhohlbauteils auswirkt.
Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen Stützkerns offenbart, das die Schritte i) Bereitstellen einer Hohlstruktur, ii) Formen mindestens eines Angusskanals an einer Außenoberfläche der Hohlstruktur und iii) Abstützen des Angusskanals durch Anordnen einer wärmeformbeständigen Verstärkungsstruktur an einer Oberfläche des Angusskanals, umfasst. Das Verfahren ist technisch einfach, durch Kombination von Standardprozessen umsetzbar und ermöglicht die Herstellung eines Stützkerns mit hoher Funktionalität. Durch die Verwendung geeigneter Materialien für den Stützkern sowie für die Verstärkungsstruktur können auch die Kosten des erfindungsgemäßen Verfahrens gesenkt werden.
Vorteilhaft wird die Verstärkungsstruktur mit dem gebildeten Angusskanal des Stützkerns formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden, um die Form des Angusskanals zu stabilisieren und einem Verrutschen der Verstärkungsstruktur vorzubeugen. Vorteilhaft im Lichte einer Mehrfachverwendung des Stützkerns wird ein Formen einer Hinterschneidung in der wärmeformbeständigen Verstärkungsstruktur ausgeführt, da so die Verstärkungsstruktur nach der Fertigstellung des Faserverbundkunststoffhohlbauteils leicht in ihre einzelnen Bestandteile auftrennbar ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
1 einen Stützkern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 einen Stützkern gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung des Stützkerns aus 2,
4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
5 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile der erfindungsgemäßen Stützkerne bzw. Aspekte der erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Alle übrigen Elemente und Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Im Detail zeigt 1 einen Stützkern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dieser Stützkern 1 umfasst eine Grundstruktur 10, die aus einem Vollmaterial gebildet ist, beispielsweise aus einem kunststoffhaltigen Material, wie z. B. einem Kunststoffschaum. An einer Außenoberfläche 4 des Stützkerns 1 ist eine Vertiefung vorhanden, ein Angusskanal 2. Die Form des Angusskanals 2 ist variabel. Um bei der Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils unter Verwendung des Stützkerns 1 ein Eindrücken von Fasermaterial in den Angusskanal 2 während des Aufbringens von härtbarem Kunststoffmaterial auf das Fasermaterial zu verhindern, ist der Angusskanal 2 vorzugsweise nur wenige Millimeter tief und hat auch nur einen Durchmesser von wenigen Millimetern. Der Stützkern 1 hat eine Außenkontur, die einer Negativform einer Innenkontur des herzustellenden Faserverbundkunststoffhohlbauteils entspricht.
Die räumliche Anordnung des Angusskanals 2 an der Außenoberfläche 4 des Stützkerns 1 richtet sich nach der Geometrie des herzustellenden Faserverbundkunststoffhohlbauteils sowie nach dem Strömungsverlauf des härtbaren Kunststoffmaterials im Werkzeug. Der Angusskanal 2 ist vorteilhafterweise an solchen Stellen vorgesehen, in die das Kunststoffmaterial schlecht einfließt. Somit kann durch Verwendung des Stützkerns 1, und insbesondere durch das Vorsehen eines Angusskanals 2 im Stützkern 1, ein gleichmäßiges Umströmen des Fasermaterials mit Kunststoffmaterial gefördert werden.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform des Stützkerns 1 bezeichnet das Bezugszeichen 3 eine Versiegelung. Die Versiegelung 3 ist auf der Außenoberfläche 4 des Stützkerns 1 im Bereich des Angusskanals 2 aufgebracht und verhindert ein Eindringen von Kunststoffmaterial in das Innere des Stützkerns 1 über den Angusskanal 2. Da der Angusskanal 2 oftmals durch mechanische Verfahren gebildet wird, kann hierdurch die Oberflächenstruktur des Stützkerns 1 beschädigt werden, beispielsweise Risse aufweisen, oder im Fall der Verwendung eines porenhaltigen Materials, offene Poren enthalten. Dies ist nachteilig in Bezug auf die Menge an Kunststoffmaterial, sowie das Gewicht des Stützkerns 1, sofern dieser im Faserverbundkunststoffhohlbauteil verbleibt. Die Versiegelung 3 dichtet die Außenoberfläche 4 des Angusskanals 2 ab und verhindert ein Eindringen von Kunststoffmaterial im Herstellprozess eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils.
2 zeigt einen Stützkern 11 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Stützkern 11 ist im Gegensatz zum Stützkern aus 1 nicht aus einem Vollmaterial gebildet, sondern weist eine Hohlstruktur auf. Der Stützkern 11 ist mit anderen Worten ein Hohlkern. Damit umfasst der Stützkern 11 eine Wandung 12, z. B. in Form einer folienartigen Haut mit einer Außenoberfläche 4 und einer Innenoberfläche 5. Im Inneren des Stützkerns 11 ist ein Hohlraum 9, der bei Verwendung des Stützkerns 11 zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils beispielsweise mit einem Medium befüllbar ist. Auch in dieser Ausführungsform hat der Stützkern 11 eine Außenkontur, die, zumindest nach dem Befüllen des Hohlraumes 9 mit einem Medium, einer Negativform einer Innenkontur eines herzustellenden Faserverbundkunststoffhohlbauteils entspricht.
In der Außenoberfläche 4 der Wandung 12 des Stützkerns 11 ist ein Angusskanal 2 gebildet. Der Angusskanal 2 ist ebenfalls in Form und Lage variabel anordenbar. Zur Stabilisierung des Angusskanals 2 gegenüber einer Deformation ist der Angusskanals 2 durch eine Verstärkungsstruktur 6 abgestützt. Die Verstärkungsstruktur 6 kann die gesamte Oberfläche des Angusskanals 2 bedecken, so wie es in 2 gezeigt ist, kann aber auch nur abschnittsweise vorgesehen sein. Vorteilhaft erstreckt sich die Verstärkungsstruktur 6 auch auf an den Angusskanal 2 angrenzende Oberflächenbereiche der Wandung 12, da so eine bessere Fixierung der Verstärkungsstruktur 6 im Angusskanal 2 ermöglicht wird. Die Verstärkungsstruktur 6 ist aus einem wärmeformbeständigen Material, also insbesondere einem Material, das eine höhere Wärmeformbeständigkeit als die Wandung 12 hat, gebildet, z. B. aus Polycarbonat.
Die Verstärkungsstruktur 6 ist mittels zweier stoffschlüssiger Verbindungen 8 abschnittsweise und mittels einer formschlüssigen Verbindung, genauer gesagt einer Hinterschneidung 7, mit der Oberfläche des Angusskanals 2 verbunden. So wir einem Verschieben der Verstärkungsstruktur 6 vorgebeugt.
3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 20 zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung des Stützkerns aus 2. Die Vorrichtung 20 kann z. B. ein Blasform-Werkzeug sein. Die Vorrichtung 20 weist ein Blaskernwerkzeug 21 auf, das mit einer Halterung für die Verstärkungsstruktur 6 ausgestattet ist. Die Wandung 12 ist so in das Werkzeug eingebracht, dass durch Einströmen von Luft in den Hohlraum 9, der durch die Wandung 12 gebildet wird, die Wandung 12 in Richtung der oberen Werkzeughälfte 22 und der unteren Werkzeughälfte 23 gedrückt wird und die gewünschte Form erhält. Dabei formt sich die Wandung 12 um das Blaskernwerkzeug 21, so dass ein Angusskanal 2 gebildet wird, der durch die wärmeformbeständige Verstärkungsstruktur 6 abgestützt wird.
4 zeigt schematisch die wesentlichen Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Zunächst wird aus einem Stützkernmaterial, beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, ein Stützkern 11 gebildet und bereitgestellt, z. B. durch Blasformen, wie in 3 schematisch skizziert. Der Stützkern 11 ist damit als Hohlkern ausgebildet. Die den Hohlkern formende Wandung 12 aus Kunststoffmaterial bildet als Negativform für das herzustellende Kunststoffbauteil dessen innere Kontur ab.
In einem Schritt A werden in der Außenoberfläche 4 des Stützkerns 11 zwei Angusskanäle 2 gebildet und durch je eine wärmeformbeständige Verstärkungsstruktur 6 abgestützt. Die Verstärkungsstruktur 6 stabilisiert die Form der Angusskanäle 2 und ist an der gesamten Außenoberfläche 4 der Angusskanäle 2 ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, weil die Wandung 12 aus Gewichtsgründen lediglich eine sehr dünne Wandstärke aufweist, die so bemessen ist, dass der Stützkern 11 lediglich im unbelasteten Zustand ausreichend formstabil ist. Die Verstärkungsstruktur 6 ist mit einer Außenoberfläche 4 des Stützkerns 11 im Bereich des Angusskanals 2 beispielhaft durch eine stoffschlüssige Verbindung 8 verbunden.
In einem weiteren Schritt B erfolgt ein Befüllen des Hohlraums 9 mit einem Medium 31, beispielsweise mit einer Flüssigkeit oder einem Gas. Nach dem Befüllen des Hohlraums 9 mit Medium 31 wird dieser luftdicht und auslaufdicht verschlossen.
In einem darauf folgenden Schritt C wird der mit Medium 31 gefüllte Stützkern 11 mit einem Fasermaterial 32 umformt. Vorzugsweise wird der Stützkern 11 mit einer oder mehreren Lagen aus Fasermaterial 32 umflochten. Aufgrund der Befüllung mit Medium 31 ist der Stützkern 11 ausreichend formstabil, so dass das Umformen oder Umflechten mit Fasermaterial 32 zu keiner wesentlichen Formänderung des Stützkerns 11 führt. Auch die Angusskanäle 2 bleiben dabei erhalten.
Der mit Fasermaterial 32 umformte Stützkern 11 wird nachfolgend in Schritt D in ein Werkzeug 30 eingelegt und positioniert, dessen Kavität die Außenkontur des herzustellenden Faserverbundkunststoffhohlbauteils abbildet.
Nach dem Schließen des aus Oberwerkzeug 33 und Unterwerkzeug 34 bestehenden Werkzeugs 30 wird in Schritt E ein härtbares Kunststoffmaterial 35 mittels eines Einfüllsystems 36 in einen Spalt zwischen dem faserumgebenen Stützkern 11 und dem Ober- bzw. Unterwerkzeug 33, 34 und damit ggf. auch in Zwischenräume zwischen den Fasern unter Druck oder Unterdruck eingebracht. Das Kunststoffmaterial 35 fließt somit entlang der Oberfläche des Fasermaterials 32 und dringt auch in dieses ein. Zudem fließt das Kunststoffmaterial 35 in die Angusskanäle 2, so dass sich das Kunststoffmaterial 35 schnell und gleichmäßig im Fasermaterial 32 verteilt. Somit wird einem Bilden von Fehlstellen, also von kunststofffreien Stellen im Fasermaterial 32, vorgebeugt. Die Verteilung des Kunststoffmaterials 35 erfolgt sehr schnell und gleichförmig.
Nach dem vollständigen Durchtränken des Fasermaterials 32 mit härtbarem Kunststoffmaterial 35 wird das Kunststoffmaterial 35 im Schritt F gehärtet, beispielsweise durch Anwendung von Temperatur.
Nach dem Aushärten des Kunststoffmaterials 35 wird das Werkzeug 30 geöffnet, so dass das Faserverbundkunststoffhohlbauteil 100 einschließlich des Stützkerns 11 gemäß Schritt G entformt werden kann. Dabei kann auch das Medium 31 aus dem Hohlraum 9 des Stützkerns 11 entleert werden. Wie hier gezeigt, kann der Stützkern 11 im Faserverbundkunststoffhohlbauteil 100 verbleiben. Da das Material des Stützkerns 11 nur ein sehr geringes Eigengewicht hat, wird durch die Anwesenheit des Stützkerns 11 im Faserverbundkunststoffhohlbauteil 100 dessen Gesamtgewicht nicht wesentlich beeinträchtigt. Das Faserverbundkunststoffhohlbauteil 100 ist für die Anwendung im Leichtbau geeignet. Der Stützkern 11 kann aber auch in einem abschließenden Schritt aus dem Faserverbundkunststoffhohlbauteil 100 entfernt werden.
Durch eine Kombination von einfachen Standardprozessschritten ist somit erfindungsgemäß ein hochqualitatives Faserverbundkunststoffhohlbauteil mit hoher Taktung herstellbar, das sich insbesondere durch eine sehr gute Kunststoffmaterialabdeckung des Fasermaterials auszeichnet.
5 zeigt schematisch den wesentlichen Verfahrensschritt E des Einbringens von härtbarem Kunststoffmaterial 35 in das Werkzeug 30 zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist ein Stützkern 1 aus einem Vollmaterial, beispielsweise aus einem Kunststoffschaum, mit Fasermaterial 32 umformt, insbesondere umflochten, und in das Werkzeug 30 eingelegt worden. Nach dem Schließen des Werkzeugs 30 wird, wie hier gezeigt, härtbares Kunststoffmaterial 35 über das Einfüllsystem 36 in einen Spalt zwischen der Innenoberfläche des Werkzeugs 30 und dem mit Fasermaterial 32 umformten Stützkern 1 eingebracht. Das Kunststoffmaterial 35 fließt zudem in die Angusskanäle 2, die im Stützkern 1 gebildet sind. Ein Eindringen von Kunststoffmaterial 35 in die Innenstruktur des Stützkerns 1 wird durch die auf der Außenoberfläche 4 des Stützkerns 1 im Bereich der Angusskanäle 2 aufgebrachte Versiegelung 3 verhindert. So kann das Kunststoffmaterial 35 auch gemäß dieser Ausführungsform des Verfahrens das Fasermaterial 32 schnell und vollständig durchtränken, ohne dass Fehlstellen zurückbleiben.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Stützkern
2: Angusskanal
3: Versiegelung
4: Außenoberfläche des Stützkerns
5: Innenoberfläche des Stützkerns
6: Verstärkungsstruktur
7: Hinterschneidung
8: stoffschlüssige Verbindung
9: Hohlraum
10: Grundstruktur
11: Stützkern
12: Wandung
20: Vorrichtung
21: Blaskernwerkzeug
22: obere Werkzeughälfte
23: untere Werkzeughälfte
30: Werkzeug
31: Medium
32: Fasermaterial
33: Oberwerkzeug
34: Unterwerkzeug
35: härtbares Kunststoffmaterial
36: Einfüllsystem
100: Faserverbundkunststoffhohlbauteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007026229 A1 [0002]
DE 102005056420 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils (100) umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Stützkerns (1, 11), – Ausbilden mindestens eines Angusskanals (2) an einer Außenoberfläche (4) des Stützkerns (1, 11), – Umformen des Stützkerns (1, 11) mit Fasermaterial (32), – Positionieren des mit Fasermaterial (32) umgebenen Stützkerns (1, 11) in einem Werkzeug (30), – Aufbringen von härtbarem Kunststoffmaterial (35) auf das Fasermaterial (32) durch Einbringen des härtbaren Kunststoffmaterials (35) in das Werkzeug (30) und – Härten des Kunststoffmaterials (35).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial (32) ein Fasergelege, Fasergewebe, Fasergeflecht, Faservlies oder Fasergestricke ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des Stützkerns (1, 11) mit Fasermaterial (32) durch Umflechten des Stützkerns (1, 11) ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkern (1) aus einem Vollmaterial, insbesondere aus einem Schaummaterial, besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des gebildeten Angusskanals (2) vor dem Aufbringen des Fasermaterials (32) versiegelt wird, insbesondere mit einem Epoxidklebstoff oder einem Polyurethanklebstoff.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkern (11) ein Hohlkern ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkern (11) mit einem Medium (31) befüllt wird, wobei das Medium (31) insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innendruck des Stützkerns (11) während des Aufbringens des härtbaren Kunststoffmaterials (35) mindestens so groß ist wie ein Druck des härtbaren Kunststoffmaterials (35).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch das Anordnen einer wärmeformbeständigen Verstärkungsstruktur (6) an einer Oberfläche des Angusskanals (2) zwischen Fasermaterial (32) und Stützkern (11) zur Stabilisierung des Angusskanals (2), wobei die Verstärkungsstruktur (6) insbesondere aus Polycarbonat, Polyethylen, Polypropylen oder Polyamid gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (3) mindestens abschnittsweise mit der Oberfläche des Angusskanals (2) formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden wird.
Stützkern zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffhohlbauteils, umfassend mindestens einen an einer Außenoberfläche (4) des Stützkerns (1, 11) ausgebildeten Angusskanal (2).
Stützkern nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Angusskanals (2) eine Versiegelung (3) aufweist.
Stützkern nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Angusskanal (2) durch eine wärmeformbeständige Verstärkungsstruktur (6) abgestützt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Stützkerns (11), umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer Hohlstruktur, – Formen mindestens eines Angusskanals (2) an einer Außenoberfläche (4) der Hohlstruktur und – Abstützen des Angusskanals (2) durch Anordnen einer wärmeformbeständigen Verstärkungsstruktur (6) an einer Oberfläche des Angusskanals (2).
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Schritt des Formens einer Hinterschneidung (7) in der wärmeformbeständigen Verstärkungsstruktur (6).