DE102015101564A1

DE102015101564A1 - Verfahren zum Herstellen faserverstärkter Kunstharzmaterialien

Info

Publication number: DE102015101564A1
Application number: DE102015101564.1A
Authority: DE
Inventors: Takashi c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI Ike
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2015-09-24
Also published as: JP2015178241A; US20150266245A1

Abstract

Vorgesehen ist ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkten Harzmaterials, das geeignet ist, die Steifigkeit und Festigkeit, wie eine Stoßfestigkeit, durch ein einfaches Verfahren zu erhöhen, während es eine Zunahme des Produktgewichts unterdrückt. Ein eine Mehrzahl von ununterbrochenen Fasern einschließendes kontinuierliches Faserelement (5) wird an wenigstens einem Teil eines in ein Matrixharz (1) eingemischtes Fasermaterial (2) einschließenden, faserverstärkten Harzelements (3) angebracht, worauf ein Pressvorgang folgt, durch den Lücken zwischen den das kontinuierliche Faserelement (5) bildenden, ununterbrochenen Fasern mit dem zur Integration verflüssigten oder erweichten Matrixharz (1) des faserverstärkten Harzelements (3) ausgefüllt werden.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen faserverstärkter Kunstharzmaterialien.
Stand der Technik
Faserverstärkte Kunstharzmaterialien (faserverstärkte Kunststoffe (FRPs)), die zur Verstärkung in Harz eingemischtes Fasermaterial einschließen, sind Leichtbauelemente und weisen hohe Festigkeit auf, und deshalb wird solches Material in verschiedenen industriellen Feldern, wie in der Automobil- und Flugzeugindustrie, verwendet.
Beispielsweise finden Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge in der Automobilindustrie Beachtung, weil sie umweltfreundliche Fahrzeuge sind, so dass Automobilhersteller und deren Zulieferbetriebe die Entwicklung kleinerer und leichterer Fahrzeuge mit höherer Leistung vorantreiben. Nicht nur für diese sogenannten ökofreundlichen Wagen, sondern auch für gewöhnliche Fahrzeuge einschließlich anderer normaler, benzingetriebener und dieselgetriebener Fahrzeuge besteht ein wachsender Bedarf zum Gebrauch der faserverstärkten Materialien als Teil oder Gesamtheit der Außenwandteile für Fahrzeuge, weil sie Materialien sind, die den Anforderungen sowohl hinsichtlich des geringen Gewichts als auch der höheren Steifigkeit der Fahrzeuge entsprechen.
Im Falle eines aus einem faserverstärkten Harzmaterial gefertigten äußeren Wandungselements, insbesondere eines faserverstärkten Harzmaterials einschließlich kurzer Fasern von 1 mm Länge oder kürzer, die beliebig in einem Matrixharz ausgerichtet sind, kann jedoch ein Endteil eines jeden, ein solches faserverstärktes Harzmaterial bildenden Fasermaterials der Ursprung eines Bruchs sein, und deshalb ist ein solches äußeres Wandungselement allgemein dafür bekannt, eine reduzierte Steifigkeit oder Festigkeit, wie Stoßwiderstandsfähigkeit, zu besitzen.
In vergangenen Jahren wurden faserverstärkte Harzmaterialien durch Harzmatten-(SMC)-Techniken mit guter Massenproduktivität und Gestaltungswirkung hergestellt und beispielsweise als äußere Wandelemente für Fahrzeuge verwendet. Solche durch SMC geformten faserverstärkten Harzmaterialien schließen jedoch ein duroplastisches Harzmaterial mit typischer, niedriger Zähigkeit und Dehnbarkeit ein, und so ist es bekannt, dass die resultierenden äußeren Wandelemente aus durch SMC hergestelltem faserverstärktem Harzmaterial weiter reduzierte Steifigkeit und Festigkeit, wie Stoßfestigkeit, aufweisen.
Dann, wenn ein solches herkömmliches, faserverstärktes Harzmaterial beispielsweise für das Haubeninnenteil einer Motorhaube benutzt wird, kann ein ein Schließelement umgebendes Teil des Haubeninnenteils beschädigt werden, wenn beispielsweise das Fahrzeug mit einem Frontbereich in eine Kollision gerät.
Dann, wenn ein faserverstärktes Harzmaterial für ein Außenwandteil eines Fahrzeug, wie eine Motorhaube, benutzt wird, kann ein aus einer Stahlpatte oder einer Aluminiumplatte bestehendes Verstärkungselement mit der Rückseite des Wandteils durch einen Klebestoff oder ein Befestigungselement verbunden werden, oder es kann dort eine gerippte Konstruktion benutzt werden, um auf der Oberfläche des Wandelements Rippen vorzusehen, die beispielsweise Beschädigungen durch einen äußeren Stoß zum Zeitpunkt der Kollision des Fahrzeugs verhindern (siehe beispielsweise das Patentdokument 1).
STAND DER TECHNIK
Patentdokument

Patentdokument 1: WO 2012/101793

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine solche konventionelle Gegenmaßnahme verursacht jedoch das Problem einer Gewichtszunahme durch die Verstärkung, einen Klebstoff oder ein Befestigungselement zur Verbindung mit der Verstärkung, die auf der Oberfläche des Wandelements vorgesehenen Rippen, oder dergleichen. Wenn ein in Matrixharz eingemischte, ununterbrochene Fasern enthaltendes, kontinuierliches faserverstärktes Harzelement als ein Verstärkungsmaterial auf einem Harzelement, wie im Patentdokument 1 offenbart, als ein Substrat aufgeschichtet wird, tritt ein anderes Problem auf, das eine Adhäsionsschicht zwischen dem Substrat und dem Verstärkungsmaterial erfordert, wobei die Adhäsionsschicht aus einem thermoplastischen Harz gefertigt ist, das dem Substrat und dem Verstärkungsmaterial gestattet, aufgrund ihres Schmelzens und Erweichen erfolgreich aneinander zu haften.
Angesichts der vorstehend genannten Probleme beabsichtigt die vorliegende Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen faserverstärkter Kunstharzmaterialien zu schaffen, das in der Lage ist, die Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, durch ein einfaches Verfahren zu erhöhen, während es eine Zunahme des Produktgewichts unterdrückt.
Um dieses Ziel zu erreichen umfasst ein Verfahren zum Herstellen faserverstärkter Kunstharzmaterialien gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Anordnen eines eine Mehrzahl von ununterbrochenen Fasern einschließenden, kontinuierlichen Faserelements an wenigstens einem Teil eines faserverstärkten Harzelements, das in Matrixharz eingemischtes Fasermaterial einschließt, gefolgt von einem Pressvorgang, wodurch Lücken zwischen den ununterbrochenen Fasern mit dem zur Integration verflüssigten oder erweichten Matrixharz ausgefüllt werden.
Gemäß diesem Herstellungsverfahren wird ein kontinuierliches Faserelement an wenigsten einem Teil des faserverstärkten Harzelements angeordnet, gefolgt von einem Pressvorgang, wodurch Lücken zwischen den das kontinuierliche Faserelement bildenden, ununterbrochenen Fasern von dem das faserverstärktes Harzelement bildenden Matrixharz zur Integration ausgefüllt werden, wodurch Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, durch ein einfaches Verfahren erhöht werden, während eine Zunahme des Produktgewichts unterdrückt wird.
Das Matrixharz für das faserverstärkte Harzelement kann ein duroplastisches Harz oder ein thermoplastisches Harz sein. Es ist hier zu beachten, dass, wenn das Matrixharz duroplastisches Harz enthält, dieses Harz im Vergleich zu thermoplastischem Harz typischerweise eine geringe Zähigkeit und Dehnfestigkeit aufweist (spröde wird) und leicht durch einen äußeren Stoß beschädigt wird. Auch in einem solchen Falle kann das die Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, wirkungsvoll erhöhen.
Das im faserverstärkten Harz eingeschlossene Fasermaterial kann entweder sogenanntes Kurzfasermaterial (z. B. 1 mm oder kürzer) oder Langfasermaterial (z. B. 50 mm oder kürzer) sein, oder eine Mischung aus Kurzfasermaterial und Langfasermaterial. Das ununterbrochene Fasern einschließende kontinuierliche Faserelement kann ein unidirektionales Material sein, in dem Fasermaterial länger als das Langfasermaterial (z. B. Fasermaterial mit einer Länge von mehr als 50 mm) unidirektional ausgerichtet ist, oder quasi-isotropes Material (z. B. nicht gewebtes Tuch, Textilelemente, einschließlich Kett- und Schussfäden, und ein Laminat davon).
Bei einer anderen Ausführungsform eines wie oben beschriebenen Herstellungsverfahrens eines faserverstärkten Harzmaterials wird eine Mehrzahl von kontinuierlichen Faserelementen an wenigsten einem Teil des faserverstärkten Harzelements so angeordnet, dass Lücken zwischen der Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente bestehen.
Gemäß einem solchen Herstellungsverfahren wird eine Mehrzahl der kontinuierlichen Harzelemente an wenigsten einem Teil des faserverstärkten Harzelements angeordnet, gefolgt von einem Preßvorgang, wodurch Lücken zwischen den auf dem faserverstärkten Harzelement angeordneten kontinuierlichen Faserelementen von dem das faserverstärkte Harzelement bildenden Matrixharz zur Integration ausgefüllt werden, wodurch Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, wirkungsvoller durch ein einfaches Verfahren erhöht wird.
Bei einer anderen Ausführungsform eines wie oben beschriebenen Herstellungsverfahrens eines faserverstärkten Harzmaterials wird eine Mehrzahl von faserverstärkten Harzelementen vorbereitet und die Mehrzahl der faserverstärkten Harzelemente und die dazwischen eingreifenden kontinuierlichen Faserelemente werden gepresst.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform eines wie oben beschriebenen Herstellungsverfahrens eines faserverstärkten Harzmaterials wird ein anderes faserverstärktes Harzelement mit einem geringeren Fasergehalt als jenem des faserverstärktes Harzelements vorbereitet und das faserverstärkte Harzelement und das andere faserverstärkte Harzelement mit den dazwischen eingreifenden kontinuierlichen Faserelementen wird gepresst.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines wie oben beschriebenen Herstellungsverfahrens eines faserverstärkten Harzmaterials wird ein Harzelement gefertigt aus einem Harz vom gleichem Typ wie das Matrixharz vorbereitet und das faserverstärkte Harzelement und das Harzelement mit den dazwischen eingreifenden kontinuierlichen Faserelementen wird gepresst.
Bei jedem Verfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen werden Lücken zwischen den ununterbrochenen Fasern der kontinuierlichen Faserelementen oder Lücken zwischen der Mehrzahl der faserverstärkten Harzelemente und zwischen sie eingreifenden kontinuierlichen Faserelementen oder Lücken zwischen dem faserverstärkten Harzelement und dem Harzelement mit dem das faserverstärkte Harzelement bildenden Matrixharz oder dergleichen zur Integration ausgefüllt, wodurch Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, durch ein einfaches Verfahren erhöht werden, während eine Zunahme des Produktgewichts unterdrückt wird.
Wie durch die obige Beschreibung verständlich wird, dient die vorliegende Erfindung zur Herstellung eines faserverstärktes Harzmaterials einschließlich eines faserverstärkten Harzelements als ein Substrat und positioniert ein kontinuierliches Faserelement einschließlich einer Mehrzahl von ununterbrochenen Fasern auf wenigstens einem Teil eines faserverstärkten Harzelements, das in Matrixharz eingemischtes Fasermaterial einschließt, worauf ein Pressvorgang folgt, wodurch Lücken zwischen den das kontinuierliche Faserelement bildenden ununterbrochenen Fasern mit dem zur Integration verflüssigten oder erweichten Matrixharz ausgefüllt werden, und ein derartig einfaches Verfahren kann die Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, erhöhen, während eine Zunahme des Produktgewichts unterdrückt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B beschreiben schematisch ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel als Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung, wobei 1A einen Ablegeschritt beschreibt und 1B einen Pressschritt.
2A und 2B beschreiben schematisch eine Modifikation des Verfahrens zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel, das eine Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist, wobei die 2A einen Ablegeschritt beschreibt und 2B einen Pressschritt.
3A und 3B beschreiben schematisch ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel als Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung, wobei 3A einen Ablegeschritt beschreibt und 3B einen Pressschritt.
4A und 4B beschreiben schematisch ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel als Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung, wobei 4A einen Ablegeschritt beschreibt und 4B einen Pressschritt.
5 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch ein Außenwandteil einer Motorhaube mit einem Innenteil der Motorhaube zeigt, die durch das Beispiel aus faserverstärktem Harzmaterial gefertigt sind.
6 beschreibt schematisch die Fertigungsschritte für das Innenteil der Motorhaube der 5.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Das Folgende beschreibt Ausführungsformen eines Verfahrens zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Das Folgende beschreibt Ausführungsformen, bei welchen ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel gemäß der vorliegenden Erfindung zur Fertigung eines Innenteils einer im Frontbereich eines Fahrzeugs anzuordnenden Motorhaube benutzt wird, und das Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel gemäß der vorliegenden Erfindung kann benutzt werden, um beispielsweise andere Wandelemente als das Innenteil einer Motorhaube oder Wandelemente für entsprechende andere Anwendungsgebiete als Fahrzeuge herzustellen.
[Ausführungsform 1]
Die 1 beschreibt schematisch ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel, das Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung ist. Wie in der Zeichnung gezeigt, schließt das Herstellungsverfahren nach Ausführungsform 1 hauptsächlich einen Ablegeschritt und einen Pressschritt ein.
Beim Herstellungsverfahren nach Ausführungsform 1 werden vorab ein faserverstärktes Harzelement 3 als ein blattförmiges Substrat, das in ein Matrixharz 1 gemischtes Fasermaterial 2 einschließt, und ein kontinuierliches Faserelement 5 als ein blattförmiges Substrat, das eine Mehrzahl ununterbrochener Fasern einschließt, vorbereitet. Dann wird, wie in 1A gezeigt, das faserverstärkte Harzelement 3 auf einem Formunterteil K2 einer Form K angeordnet und das kontinuierliche Faserelement 5 wird auf die Oberseite des faserverstärkten Harzelements aufgebracht (Ablegeschritt) Vorzugsweise wird, wie in der Zeichnung dargestellt, eine Mehrzahl von kontinuierlichen Faserelementen 5 vorbereitet und eine solche Mehrzahl von kontinuierlichen Faserelementen 5 wird auf der Oberseite des faserverstärkten Harzelements derart aufgebracht, dass zwischen ihnen jeweils eine Lücke G vorhanden ist. Ununterbrochene Fasern dieser kontinuierlichen Faserelemente 5 können vom gleichen Typ oder von unterschiedlichen Typen sein.
Hierin ist das das faserverstärkte Harzelement 3 bildende faserverstärkte Harz, das zu seiner Verstärkung mit eingemischtem Fasermaterial 2 versehene Matrixharz 1, und dieses Matrixharz 1 kann ein duroplastisches Harz oder ein thermoplastisches Harz sein. Beispiele des duroplastischen Harzes schließen Epoxidharz, Phenolharz und Melaminharz ein, und Beispiele des thermoplastischen Harzes schließen jeden einzelnen Typ oder zwei oder mehr Typen des Mischungsmaterials von Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), AS-Harz, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Harz (ABS), Polyvinylchlorid (PVC), Methacrylatharz, Polyamid (PA), Polyester, Polyacetal (POM), Polykarbonat, (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylidenfluorid, Polyphenylenoxid, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon, flüssigkristallines Polymer, Polyetherimid, Polyethersulfon, Polyamidimid und thermoplastisches Epoxidharz. Copolymer, aufpolymerisiertes Harz oder Mischharz, die solches thermoplastisches Harz als eine Hauptkomponente enthalten, wie etwa Ethylen-Vinylchlorid-Copolymer, Vinylazetat-Ethylen-Copolymer, Vinylazetat-Vinylchlorid-Copolymer, Urethan-Vinylchlorid-CoPolymer, Acrylsäure-modifiziertes Polypropylen oder Maleinsäure-modifiziertes Polyethylen können in diese eingebracht werden.
Das im faserverstärkten Harzmaterial enthaltene Fasermaterial 2 kann entweder sogenanntes Kurzfasermaterial (z. B. 1 mm oder weniger) oder Langfasermaterial (z. B. 50 mm oder weniger), oder kann eine Mischung aus Kurzfasermaterial und Langfasermaterial sein. Beispiele des Fasermaterials schließen jeden Typ oder die Mischung von zwei oder mehr Typen von Keramikfasern, wie Borfasern, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, und Zirkonoxid, anorganische Fasern, wie Glasfasern oder Kohlefasern, Metallfasern, wie Kupfer, Stahl, Aluminium und Edelstahl, und organische Fasern, wie Polyamid, Polyester, Zellulose, Polypropylen und Polyethylen ein.
Das ununterbrochene Fasern einschließende kontinuierliche Faserelement 5 kann ein unidirektionales Material sein, in welchem ein das faserverstärkte Harzmaterial 3 bildendes Fasermaterial länger als das Fasermaterial 2 (z. B. Fasermaterial mit einer Länge länger als 50 mm) unidirektional ausgerichtet ist, oder quasi-isotropes Material, (z. B. auf 0° gerichtetes Material, auf 90° gerichtetes Material, auf ±45° gerichtetes Material, mehrachsiges laminiertes Material, in dem eine Mehrzahl von ausgerichteten Materialien wie auf 0°, 90° und ±45° ausgerichtete Materialien laminiert sind, nichtgewebtes Tuch, Gewebeelemente einschließlich Kettfäden und Schussfäden).
Als Nächstes wird, wie in 1B gezeigt, ein oberes Formteil K1 der Form K dem unteren Formteil K2 zum Schließen angenähert, um dadurch das faserverstärkte Harzelement 3 und die kontinuierlichen Faserelemente 5 vertikal unter Druck zu setzen (Pressschritt). Dann wird das faserverstärkte Harzelement 3 ausgehärtet, um das faserverstärkte Harzelement 3 und die kontinuierlichen Faserelemente 5 zur Bildung eines faserverstärkten Harzmaterials 10 zu integrieren, und dann wird das faserverstärkte Harzmaterial 10 aus der Form K entnommen.
Auf diese Weise wird entsprechend dem Herstellungsverfahren der Ausführungsform 1 das kontinuierliche Faserelement 5 als ein Verstärkungsmaterial auf der Oberseite des faserverstärkten Harzelements 3 angeordnet, gefolgt von einem Pressvorgang, durch den die Lücken (beispielsweise Struktur zwischen den Fasermaterialien), zwischen den die kontinuierlichen Faserelemente 5 bildenden kontinuierliche Fasern im das faserverstärkte Harzelement 3 bildenden Erweichungszustand während des Pressvorgangs mit dem Matrixharz 1 getränkt werden, so dass das faserverstärkte Harzelement 3 und dass kontinuierliche Faserelement 5 auf diese Weise zu einer Einheit verbunden werden. Auf diese Weise können Steifigkeit und Festigkeit, wie Widerstandsfestigkeit gegen Stoß, durch ein einfaches Verfahren erhöht werden, während eine Erhöhung des Artikelgewichts verhindert wird.
Weil eine Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5 auf der Oberseite des faserverstärkte Harzelements 3 mit zwischen ihnen vorgesehenen Lücken G angeordnet sind, gefolgt vom Pressvorgang, durch den die Lücken G zwischen den kontinuierlichen Faserelemente 5 vom im Erweichungszustand befindlichen, das faserverstärkte Harzelement 3 bildenden Matrixharz 1 ausgefüllt werden, so dass das faserverstärkte Harzelement 3 und die Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5 integriert werden. Auf diese Weise können Steifigkeit und Festigkeit, wie Widerstandsfestigkeit gegen Stoß, durch ein einfaches Verfahren wirksamer erhöht werden.
Wenn das das faserverstärkte Harzelement 3 bildende Matrixharz 1 aus thermoplastischem Harz besteht, kann das Matrixharz während dem in 1B gezeigten Pressschritt geschmolzen werden, womit die Lücken zwischen den ununterbrochenen, die kontinuierlichen Faserelemente 5 bildenden Fasern oder die Lücken G zwischen den kontinuierlichen Faserelemente 5 ausgefüllt werden können.
Für eine weiter gesteigerte Festigkeit des faserverstärkte Harzmaterials 10 können, wie in 2 gezeigt, eine Mehrzahl von kontinuierlichen Faserelementen 5' aus ununterbrochenen Fasern des gleichen Typs oder eines verschiedenen Typs der das kontinuierliche Faserelement 5 bildenden ununterbrochenen Fasern vorbereitet werden, Dann, nachdem die Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5 auf der Oberseite des faserverstärkten Harzelements 3 auf dem unteren Formteil K2 der Form K angeordnet ist, kann eine solche Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5' zur Lamination aufeinanderfolgend auf die Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5 aufgelegt werden, gefolgt vom Pressvorgang zur Integration des faserverstärkten Harzelements 3 mit der Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5, 5'. Mit der Zunahme der Lamination der kontinuierlichen Faserelemente 5, 5' kann der Durchtränkungsgrad der kontinuierlichen Faserelemente 5, 5' mit dem Matrixharz 1 in dem faserverstärkten Harzelement 3 abnehmen. In diesem Falle kann sich der Fasergehalt des faserverstärkten Harzelements 3 verschlechtern und der Harzanteil des faserverstärkten Harzelements 3 kann ansteigen, so dass der Durchtränkungsgrad der kontinuierlichen Faserelemente 5, 5' mit dem Matrixharz 1 erhöht wird.
[Ausführungform 2]
Die 3 beschreibt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Harzmaterials, das die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung ist. Das in 3 dargestellte Herstellungsverfahren unterscheidet sich von dem in den 1 und 2 dargestellten Herstellungsverfahren der Ausführungsform 1 hinsichtlich der Anzahl der verwendeten faserverstärkten Harzelemente, und die weitere Gestaltung ist der des Herstellungsverfahrens der Ausführungsform 1 ähnlich.
Wie oben beschrieben, kann der Durchtränkungsgrad der kontinuierlichen Faserelemente mit dem Matrixharz im faserverstärkten Harzelement abnehmen, wenn die Anzahl der Schichtbildungen der kontinuierlichen, auf der Oberseite der faserverstärkten Harzelemente angeordneten Faserelemente zunimmt. Um dem gerecht zu werden, wird bei dem Herstellungsverfahren der Ausführungsform 2 eine Mehrzahl des faserverstärkten Harzelements 3A, 3A', bei dem Fasermaterial 2a, 2A' im Matrixharz 1A, 1A' gemischt ist, und eine Mehrzahl des eine Mehrzahl ununterbrochener Fasern einschließenden, kontinuierlichen Faserelements 5A, 5A' vorab vorbereitet. Dann wird, wie in 3A dargestellt, das faserverstärkte Harzelement 3A auf das untere Formteil K2 der Form K aufgelegt, eine Mehrzahl von kontinuierlichen Faserelementen 5A, 5A' werden aufeinanderfolgend zur Lamination auf die Oberseite des faserverstärkten Harzelements 3A aufgelegt und auf die Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5A' wird das faserverstärkte Harzelement 3A' aufgebracht (Ablegeschritt).
Als Nächstes wird, wie in 3B dargestellt, das obere Formteil K1 der Form K zum Schließen dem unteren Formteil K2 angenähert und setzt dadurch das faserverstärkte Harzelement 3A, die Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5A, 5A' und das faserverstärkte Harzelement 3A' vertikal unter Druck (Pteßschritt). Wenn die kontinuierlichen Faserelemente 5A, 5A' nicht zwischen den faserverstärkten Harzelementen 3A. 3A' eingefügt sind, werden die faserverstärkten Harzelemente 3A, 3A' während dieses Pressschritts direkt in engen Kontakt miteinander gebracht.
Auf diese Weise wird gemäß dem Herstellungsverfahren nach der Ausführungsform 2 die Mehrzahl der faserverstärkten Harzelemente 3A, 3A' mit den zwischen ihnen eingefügten kontinuierlichen Faserelementen 5A, 5A' gepresst, wodurch während des Pressvorgangs die Lücken (beispielsweise die Struktur zwischen den Fasermaterialien) zwischen den die kontinuierlichen Faserelemente 5A, 5A' bildenden, ununterbrochenen Fasern, die Lücken G zwischen den kontinuierlichen Faserelementen 5A und die Lücken G' zwischen den kontinuierlichen Faserelementen 5A', in dem verflüssigten, weich gemachten oder geschmolzenen Zustand der oberhalb und unterhalb der kontinuierlichen Faserelementen 5A, 5A' angeordneten faserverstärkten Harzelemente 3A, 3A' mit dem Matrixharz 1A, 1A' ausgefüllt, so dass die faserverstärkten Harzelemente 3A, 3A' mit den kontinuierlichen Faserelementen 5A, 5A' integriert werden. Das heißt, der Durchtränkungsgrad der kontinuierlichen Faserelementen 5A, 5A' mit dem Matrixharz 1A, 1A' in den faserverstärkten Harzelementen 3A, 3A' kann erhöht und damit können die Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, durch ein einfaches Verfahren erhöht werden.
Der Fasergehalt von wenigstens einem der Mehrzahl der faserverstärkten Harzelemente 3A, 3A' kann verringert und der Harzgehalt der faserverstärkten Harzelemente kann erhöht werden, wodurch der Durchtränkungsgrad der kontinuierlichen Faserelemente 5A, 5A' mit dem Matrixharz 1A, 1A' erhöht werden kann, und so können die Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, effektiver erhöht werden.
[Ausführungsform 3]
Die 4 beschreibt schematisch ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Harzartikel als Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Das in 4 dargestellte Herstellungsverfahren der Ausführungsform 3 unterscheidet sich von dem in 3 dargestellte Herstellungsverfahren der Ausführungsform 2 durch die Typen der in der Form angeordneten Elemente, und die übrige Gestaltung ist dem Herstellungsverfahren der Ausführungsform 2 ähnlich. Deshalb bezeichnen gleiche Bezugszahlen bei den Teilen der Ausführungsform 2 gleiche Teile und ihre Beschreibung entfällt.
Wie oben beschrieben, bedeutet die Abnahme des Fasergehalts der faserverstärkten Elemente, die oberhalb und unterhalb der kontinuierlichen Faserelemente angeordnet sind, eine Zunahme des Durchtränkungsgrads der kontinuierlichen Faserelemente mit dem Matrixharz. Dann werden beim Herstellungsverfahren der Ausführungsform 3 ein faserverstärktes Harzelement 3B, das in Matrixharz 1B eingemischte Fasermaterialien 2B enthält, und eine Mehrzahl von kontinuierlichen Faserelementen 5B, 5B', die eine Mehrzahl von ununterbrochenen Fasern einschließen, vorab vorbereitet, und ein Harzelement 4B (beispielsweise ein filmförmiger Harzfilm) aus dem gleichen Harztyp wie das Matrixharz 1B wird vorbereitet. Dann wird, wie in 4 dargestellt, das faserverstärkte Harzelement 3B auf den unteren Formteil K2 der Form K aufgelegt und auf der Oberseite des faserverstärkten Harzelements 3B aufeinander die Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5B, 5B' zur Lamination angeordnet. Dann wird auf der Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5B' das Harzelement 4B angeordnet (Ablegeschritt).
Danach wird, wie in 4B dargestellt, das obere Formteil K1 der Form K dem unteren Formteil K2 zum Schließen angenähert, wodurch das faserverstärkte Harzelement 3B, die Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente 5B, 5B' und das Harzelement 4B vertikal gepresst werden (Pressschritt). Wenn die kontinuierlichen Faserelemente 5B, 5B' zwischen dem faserverstärkten Harzelement 3B und dem Harzelement 4B eingefügt sind, werden das faserverstärkte Harzelement 3B und das Harzelement 4B während dieses Pressschritts über die kon5tinuierlichen Faserelemente 5B, 5B' in engen Kontakt miteinander gebracht. Wenn die kontinuierlichen Faserelemente 5B, 5B' nicht zwischen dem faserverstärkten Harzelement 3B und dem Harzelement 4B eingefügt sind, werden das faserverstärkte Harzelement 3B und das Harzelement 4B während dieses Pressschritts direkt in engen Kontakt miteinander gebracht.
Auf diese Weise werden gemäß dem Herstellungsverfahren der Ausführungsform 3 das faserverstärkte Hartelement 3B und das Harzelement 4B mit den zwischen ihnen befindlichen kontinuierlichen Faserelementen 5B, 5B' gepresst, wodurch die Lücken (beispielsweise die Struktur zwischen den Fasermaterialien) zwischen den die kontinuierlichen Faserelemente 5B, 5B' bildenden kontinuierlichen Fasern, die Lücken G zwischen den kontinuierlichen Faserelementen 5B und die Lücken G' zwischen den kontinuierlichen Faserelementen 5B' von dem Matrixharz im faserverstärkten Harzmaterial im faserverstärkten Harzelement 3B in dem verflüssigten, weich gemachten oder geschmolzenen Zustand und das Harz im Harzelement 4B der oberhalb und unterhalb der kontinuierlichen Faserelementen 5A, 5A' angeordneten faserverstärkten Harzelemente 3A, 3A', mit dem Matrixharz 1A, 1A' ausgefüllt, so dass die faserverstärkten Harzelemente 3A. 3A' mit den kontinuierlichen Faserelementen 5A, 5A' integriert werden. Das heißt, der Durchtränkungsgrad der kontinuierlichen Faserelemente 5B, 5B' mit dem Matrixharz im faserverstärkten Harzelement 3B und dem Hatz des Harzelements 4B kann weiter erhöht werden und damit können die Steifigkeit und Festigkeit, wie die Stoßfestigkeit, weiter erhöht werden.
Das das Harzelement 4B bildende Harz kann jedes Harz sein, sofern es beispielsweise die physikalischen Eigenschaften, wie einen linearen Ausdehnungskoeffizienten und einen Elastizitätsmodul, besitzt wie das das faserverstärkte Harzelement 3B bildende Matrixharz 1B und es die Bindekraft mit dem faserverstärkten Harzelement 3B erreichen kann.
<Beispiel>
Das Folgende beschreibt ein Verfahren (Beispiel) zur Herstellung des Innenteils einer bei einem Fahrzeug benutzten Motorhaube durch ein dem oben dargelegten Herstellungsverfahren nach der Ausführungsform 1 folgendes Herstellungsverfahren. Die 5 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch ein Wandteil der Motorhaube einschließlich eines aus faserverstärktem Harzmaterial nach dem Beispiel gefertigten Innenteils darstellt. Die 6 beschreibt schematisch die Herstellungsschritte für das Innenteil der Motorhaube der 5.
Wie in 5 gezeigt, schließt das Wandteil 20 einer Motorhaube grob gesehen ein die Außenfläche definierendes Haubenaußenteil 12 und ein Haubeninnenteil 11 ein, das mit der Seite der Innenfläche des Außenteils mittels eines Klebstoffs oder dergleichen verbunden ist, um das Haubenaußenteil 12 zu unterstützen. Das Haubeninnenteil 11 ist hauptsächlich unter Verwendung eines Restmaterials gefertigt, das anfällt, wenn ein aus einer Mehrzahl von Kohlefasern gefertigtes Substrat mit ununterbrochenen Fasern (typischerweise Kohlefasergewebe als ein quasi-isotropisches Material) beschnitten wird, um das Haubenaußenteil 12 herzustellen, und ein faserverstärktes Harzelement durch SMC-Formgebung, in dem kurzes Fasermaterial von 1 mm Länge oder weniger beliebig in duroplastischem Harz ausgerichtet ist.
Ein solches Haubeninnenteil 11 wird grob gesehen wie folgt hergestellt. Wie in 6 dargestellt, wird das Restmaterial, das anfällt, wenn ein Substrat mit ununterbrochenen Fasern zur Herstellung des Haubenaußenteil 12 zugeschnitten wird, gesammelt wird und ein Teil des Restmaterials in einer vorgegebenen Gestalt zugeschnitten wird. Dann wird eine solche Mehrzahl von Restmaterialien nach dem Zuschnitt an passenden Stellen auf einem faserverstärkten Harzelement (mit einer Dicke von wenigen Millimetern) durch SMC-Formgebung angeordnet, das in einer Form so angeordnet ist, dass zwischen ihnen Lücken bestehen. Dann wird zum Pressen des faserverstärkten Harzelements und des Restmaterials (Substrat mit ununterbrochenen Fasern) die Form geschlossen, um das duroplastische Harz des faserverstärkten Harzelements auszuhärten. Auf diese Weise werden das faserverstärkte Harzelement und das Restmaterial integriert, um das Haubeninnenteil 11 auszuformen, und das Haubeninnenteil 11 wird aus der Form entnommen.
Das Haubenaußenteil 12 wird wie folgt vorbereitet. Das heißt, das vorstehend erwähnte, aus Kohlefasern gefertigte Substrat mit ununterbrochenen Fasern wird zugeschnitten, gestapelt und so gestaltet, dass es einen Vorpressling bildet (einen Presskörper vor dem Tränken mit Harz), und der Vorpressling wird in einer Form angeordnet und die Form geschlossen. Dann wird Harz (Matrixharz) zur Tränkung des Vorpressling in die Form eingeleitet und der Formling ausgehärtet und aus der Form entnommen. Auf diese Weise kann das Haubenaußenteil ausgeformt werden (RTM: Resin Transfer Molding = Harzübertragungsformgebung)
Wie oben im Detail auf der Basis der Ausführungsform beschrieben wurde, werden während des Pressformens des faserverstärkten Harzelements und des Restmaterials, beim Verfahren zur Herstellung des Haubeninnenteil 11 die Lücken (Gewebemuster zwischen den Fasermaterialien) zwischen den das Restmaterial bildenden Kohlefasern (Substrat mit ununterbrochenen Fasern) und die Lücken zwischen dem Restmaterial mit dem das faserverstärkte Harzelement bildenden duroplastischen Harz (Matrixharz) ausgefüllt, wodurch das faserverstärkte Harzelement und das Restmaterial integriert werden. Weil
das faserverstärkte Harzelement zuverlässig mit dem Restmaterial (Substrat mit ununterbrochenen Fasern) verstärkt wird, kann die Steifigkeit und Festigkeit an den gewünschten Positionen des Haubeninnenteils 11 wirkungsvoll erhöht werden, während eine Zunahme des Produktgewichts unterbleibt.
Dies ist eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben dargestellten Ausführungsformen beschränkt, und die Gestaltung kann in verschiedener Weise modifiziert werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Bezugszeichenliste

1: Matrixharz
2: Fasermaterial
3: Faserverstärktes Harzelement
5: Kontinuierliches Faserelement
10: Faserverstärktes Harzmaterial
11: Innenteil
12: Außenteil
20: Haubenteil
K: Form
K1: oberes Formteil
K2: unteres Formteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/101793 [0008]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmaterials umfassend: Anordnen eines eine Mehrzahl von ununterbrochenen Fasern einschließenden kontinuierlichen Faserelements an wenigstens einem Teil eines faserverstärkten Harzelements, das in Matrixharz eingemischtes Fasermaterial einschließt, gefolgt von einem Preßvorgang, wodurch Lücken zwischen den ununterbrochenen Fasern mit dem zur Integration verflüssigten oder erweichten Matrixharz ausgefüllt werden.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmaterials nach Anspruch 1, bei welchem das Matrixharz duroplastisches Harz umfaßt.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmaterials nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem eine Mehrzahl von kontinuierlichen Faserelementen vorbereitet wird und die Mehrzahl von kontinuierlichen Faserelementen an wenigsten einem Teil des faserverstärkten Harzelements so angeordnet werden, daß Lücken zwischen der Mehrzahl der kontinuierlichen Faserelemente bestehen.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem eine Mehrzahl der faserverstärkten Harzelemente vorbereitet wird, und die Mehrzahl der faserverstärkten Harzelemente und die dazwischen eingreifenden kontinuierlichen Faserelemente gepresst werden.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem ein anderes faserverstärktes Harzelement mit einem geringeren Fasergehalt als jenem des faserverstärkten Harzelements vorbereitet wird, und das faserverstärkte Harzelement und das andere faserverstärkte Harzelement mit den dazwischen eingreifenden kontinuierlichen Faserelementen gepresst wird.
Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem ein Harzelement gefertigt aus einem Harz vom gleichem Typ wie das Matrixharz vorbereitet wird, und das faserverstärkte Harzelement und das Harzelement mit den dazwischen eingreifenden kontinuierlichen Faserelementen gepresst wird.