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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines platten- oder strangförmigen, faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeug. Das Verfahren ist ein Pultrusionsverfahren.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl unterschiedlicher faserverstärkte Bauteile sowie Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen hinlänglich bekannt. Faserverstärkte Bauteile finden auf vielen Gebieten der Technik Einsatz und haben sich insbesondere wegen ihrer hohen Steifigkeit bei geringer Dichte sowie hohen Belastbarkeit vor allem in der Leichtbauweise im Fahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrt durchgesetzt.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind faserverstärkte Bauteile bekannt, welche sich aufgrund ihrer hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit hervorragend als Leichtbauwerkstoff eignen. Ein Ausgangsmaterial faserverstärkter Bauteile wird auch als Faserverbundwerkstoff bezeichnet. Ein bekannter Faserverbundwerkstoff ist beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK; umgangssprachlich häufig auch unter der Bezeichnung Carbon bekannt). Faserverbundwerkstoffe weisen grundsätzlich mindestens eine Verstärkungsfaser auf, die beispielsweise als strangförmige Verstärkungsfaser oder als Verstärkungsfasergeflecht ausgebildet ist. Die Verstärkungsfaser ist mit einem Matrixwerkstoff imprägniert und somit von diesem zumindest teilweise umgeben bzw. in diesem eingebettet. Bekannte Matrixwerkstoffe sind beispielsweise duroplastische Polymere, wie z. B. Epoxidharz, Acryl und Polyurethan, oder thermoplastische Polymere, wie z. B. Polycarbonat, Polypropylen und Polyethylen.
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Platten- oder strangförmige, faserverstärkte Bauteile werden oftmals in einem Pultrusionsverfahren gefertigt. Pultrusionsverfahren werden auch als Strangziehverfahren bezeichnet. Bei Pultrusionsverfahren werden Verstärkungsfasern aus einem Faserlager herausgeführt und anschließend in eine Imprägniervorrichtung geführt und dort mit einem Matrixwerkstoff imprägniert. Beim Imprägnieren wird zwischen dem Wannenverfahren, dem Durchziehverfahren und dem Einspritzverfahren unterschieden. Beim Wannenverfahren, das insbesondere zur Herstellung faserverstärkter Bauteile mit wenig komplexem Querschnitt verwendet wird, werden die Verstärkungsfasern in ein offenes Matrixbad aus Matrixwerkstoff, z. B. Harz, gezogen und hierfür über sogenannte Führungsblenden entsprechend umgelenkt. Beim Durchziehverfahren, das insbesondere zur Herstellung faserverstärkter Bauteile mit komplexem Querschnitt verwendet wird, werden die Verstärkungsfasern ohne eine solche Umlenkung horizontal durch das Matrixbad gezogen. Beim Einspritzverfahren, das insbesondere zur Herstellung faserverstärkter Bauteile mit wenig komplexem Querschnitt verwendet wird, werden die Verstärkungsfasern i. d. R. ebenfalls ohne Umlenkung in die Imprägniervorrichtung gezogen und dort mit dem Matrixwerkstoff von einer oder mehreren Seiten benetzt.
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Nach dem Imprägnieren werden die imprägnierten Verstärkungsfasern zum Ausbilden eines vordefinierten Querschnitts durch eine oder mehrere Formstationen gezogen. Auf diese Weise sind faserverstärkte Platten oder Stränge mit vordefiniertem Querschnitt erzeugbar. In einigen Verfahren werden die mit Matrixwerkstoff imprägnierten Verstärkungsfasern vor dem Ausbilden des Querschnitts zumindest teilweise gehärtet.
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Das Verfahren hat den Nachteil, dass an den Randzonen der imprägnierten Verstärkungsfasern beim Ziehen durch die Formstationen hohe mechanische Belastungen auftreten. Durch hieraus entstehende Scherkräfte kann die Oberfläche der erzeugten faserverstärkten Bauteile beschädigt werden.
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Aus diesem Grund werden bei modernen Pultrusionsverfahren zur Herstellung platten- oder strangförmiger faserverstärkter Bauteile die Verstärkungsfasern mittels Prozesshilfsmittel bzw. Verstärkungsmaterial vom Werkzeug getrennt. Als Prozesshilfsmittel bzw. Verstärkungsmaterial können beispielsweise Matten oder Vliese verwendet werden. Die Prozesshilfsmittel bzw. Verstärkungsmaterialien können eine Steigerung der Konzentration des Matrixwerkstoffs an der Oberfläche des Bauteils und somit eine homogen erscheinende Oberfläche bewirken. Die Prozesshilfsmittel können im Anschluss vom faserverstärkten Bauteil entfernt werden, oder am Bauteil verbleiben. Derartige Pultrusionsverfahren sind allerdings technisch aufwändig und kostenintensiv, insbesondere da das zusätzliche Prozesshilfsmittel bzw. Verstärkungsmaterial zum Schutz der Oberfläche bereitgestellt und in den Pultrusionsprozess integriert werden muss. Hieraus kann sich eine nicht zufriedenstellende Prozesssicherheit ergeben.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung eines platten- oder strangförmigen, faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeug zu optimieren, wobei die Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwunden werden. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines platten- oder strangförmigen, faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeug aufzuzeigen, mittels dessen Fertigungsaufwand sowie -kosten derartiger faserverstärkter Bauteile reduzierbar und die Prozesssicherheit verbessert sind.
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Die voranstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines platten- oder strangförmigen, faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines platten- oder strangförmigen, faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeug weist die folgenden Schritte auf:
- – Bereitstellen eines Verstärkungskerns, wobei der Verstärkungskern ein Verstärkungsfasern aufweisendes Vlies aufweist,
- – Imprägnieren des Verstärkungskerns mit einem Matrixwerkstoff, und
- – Formen des Verstärkungskerns durch Ziehen des Verstärkungskerns durch ein Formgebungswerkzeug.
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Der Verstärkungskern weist Verstärkungsfasern auf, die als Vlies angeordnet sind. Ein derartiger Verstärkungskern weist eine geringere Zug- sowie Druckfestigkeit auf als ein herkömmliches Verstärkungsmaterial. Demnach ist der Verstärkungskern derart zu ziehen, insbesondere durch das Formgebungswerkzeug, dass ein übermäßiges Dehnen bzw. Reißen des Verstärkungskerns vermieden wird. Es kann vorgesehen sein, dass der Verstärkungskern im Wesentlichen trocken oder vorimprägniert bereitgestellt wird, wobei ein vorimprägnierter Verstärkungskern oftmals eine herabgesetzte Zugfestigkeit aufweist. Der Verstärkungskern wird vorzugsweise als sogenanntes Endlosmaterial, z. B. auf einer Rolle, bereitgestellt. Mittels eines derartigen Verstärkungskerns ist das erfindungsgemäße Verfahren als kontinuierliches Verfahren ausführbar, wobei ein kontinuierliches Verfahren bedeutet, dass gleichzeitig unterschiedliche Verfahrensschritte an unterschiedlichen Bearbeitungsstellen durchgeführt werden und der Verstärkungskern kontinuierlich oder intermittierend von einer Bearbeitungsstelle zur nächsten Bearbeitungsstelle vorangezogen wird.
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Beim Imprägnieren wird der Verstärkungskern mit einem Matrixwerkstoff benetzt bzw. derart durchtränkt, dass Matrixwerkstoff in Zwischenräume zwischen benachbarten Verstärkungsfasern des Verstärkungskerns eindringt und diese Fasern nach dem Aushärten somit aneinander bindet. Das Imprägnieren erfolgt beispielsweise durch Ziehen des Verstärkungskerns durch ein Matrixbad oder durch Injektion.
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Vor oder nach dem Imprägnieren wird der mit dem Matrixwerkstoff imprägnierte Verstärkungskern durch ein Formgebungswerkzeug gezogen. Das Formgebungswerkzeug weist einen Querschnitt auf, der dem Querschnitt des zu erzeugenden faserverstärkten Bauteils entspricht. Das Formgebungswerkzeug kann einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein. Mit einem mehrstufigen Formgebungswerkzeug ist der zu erzeugende Querschnitt stufenweise auf dem faserverstärkten Bauteil erzeugbar. Bei mehrstufigen Formgebungswerkzeugen ist es bevorzugt, dass die ersten Stufen einen größeren Querschnitt als der zu erzeugende Querschnitt und zumindest die letzte Stufe einen dem zu erzeugenden Querschnitt entsprechenden Querschnitt aufweisen. Es kann auch beabsichtigt sein, dass unterschiedliche Querschnittsaspekte, wie z. B. Nuten oder Absätze durch unterschiedliche Stufen erzeugt werden. Durch die Verwendung mehrstufiger Formgebungswerkzeuge können Reib- und Scherkräfte reduziert werden. Dies hat den Vorteil, dass somit das Risiko einer übermäßigen Zugbeanspruchung des Verstärkungskerns reduzierbar ist. Beim Ziehen des Verstärkungskerns durch das Formgebungswerkzeug bzw. eine Stufe des Formgebungswerkzeugs wird der Verstärkungskern auf einen Querschnitt des Formgebungswerkzeugs quer zur Zugrichtung des Verstärkungskerns geformt.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Verstärkungskern erst wie oben beschrieben geformt und anschließend imprägniert. Die Reihenfolge dieser Prozessschritte ist je nach Anwendungsfall frei bestimmbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines platten- oder strangförmigen, faserverstärkten Bauteils für ein Kraftfahrzeug kann gegenüber herkömmlichen Pultrusionsverfahren den Vorteil haben, dass zur Erzeugung einer Oberfläche mit bestimmten Eigenschaften nunmehr kein zusätzliches Prozesshilfsmittel bzw. Verstärkungsmaterial erforderlich ist,. Hierdurch können Fertigungsaufwand und -Kosten reduziert und die Prozesssicherheit verbessert werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Verstärkungsfasern Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern aufweisen. Derartige Verstärkungsfasern, insbesondere Kohlenstofffasern, sind zur Ausbildung eines Vlieses sowie zum Imprägnieren mit einem Matrixwerkstoff gut geeignet.
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Vorzugsweise weisen die Verstärkungsfasern des Vlieses eine durchschnittliche Faserlänge zwischen 5 mm und 50 mm auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist das faserverstärkte Bauteil einen Faservolumengehalt von zwischen 25% und 60% auf. Ein derartiges faserverstärktes Bauteil weist besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften bzw. eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit auf.
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Ebenfalls bevorzugt werden die Verstärkungsfasern des Vlieses aus einem Recyclingprozess gewonnen. Derartige Verstärkungsfasern sind beispielsweise ein Abfallprodukt eines Produktionsprozesses, z. B. Kohlenstoffasern. Diese Fasern wurden unter hohen Energieaufwand hergestellt und können einem nachhaltigeren Prozess, als der thermischen Verwertung, zugeführt werden. Da diese Fasern kostengünstig verfügbar und somit ggf. Entsorgungskosten vermeidbar sind, können auf diese Weise die Fertigungskosten eines Betriebs weiter gesenkt werden.
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Es ist vorteilhaft, dass die Verstärkungsfasern des Vlieses des Verstärkungskerns beim Bereitstellen des Verstärkungskerns im Wesentlichen teilorientiert sind. Dies bedeutet, dass ein erster Faseranteil eine zumindest im Wesentlichen definierte Orientierung und ein zweiter Faseranteil keine definierte Orientierung aufweist. Dabei ist es bevorzugt, wenn ein überwiegender Faseranteil eine zumindest im Wesentlichen definierte Orientierung aufweist. Ein derartiger Verstärkungskern weist somit im Wesentlichen richtungsabhängige mechanische Eigenschaften auf und ist dennoch in unterschiedliche Richtungen belastbar. Dies hat den Vorteil, dass beim Formen entstehende Kräfte besser kompensierbar sind.
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Vorzugsweise wird der Verstärkungskern vor dem Imprägnieren mit dem Matrixwerkstoff in einem Vorformprozess vorgeformt. Dies hat den Vorteil, dass nach dem Imprägnieren geringere Kräfte erforderlich sind, um den imprägnierten Verstärkungskern weiter zu formen. Dies betrifft insbesondere Zugkräfte, die beim Ziehen des Verstärkungskerns durch das Formwerkzeug auftreten. Ein Vorformen des Verstärkungskerns hat den weiteren Vorteil, dass Zwischenräume zwischen benachbarten Verstärkungsfasern verkleinert werden und somit weniger Matrixwerkstoff aufnehmen können. Auf diese Weise sind faserverstärkte Bauteile mit anderen mechanischen Eigenschaften erzeugbar.
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Weiter bevorzugt wird der Verstärkungskern während des Vorformprozesses durch ein Vorformwerkzeug gezogen. Dies hat den Vorteil, dass das gesamte Verfahren leicht in einem kontinuierlichen Prozess durchführbar ist.
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Es ist bevorzugt, dass der Matrixwerkstoff Polyester und oder Epoxidharz aufweist. Polyester und Epoxidharz sind zum Imprägnieren eines Verstärkungskerns der ein Vlies aufweist besonders gut geeignet.
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Es ist vorteilhaft, wenn an mindestens einer Oberfläche des Verstärkungskerns ein plattenförmiger Vlieskörper angeordnet und der Verstärkungskern zusammen mit dem plattenförmigen Vlieskörper durch ein Formgebungswerkzeug gezogen wird. Der Vlieskörper wird vorzugsweise zusammen mit dem Verstärkungskern imprägniert. Es kann vorgesehen sein, dass der Vlieskörper nach dem Formen mit dem imprägnierten Verstärkungskerns an diesem als Bestandteil des somit erzeugten faserverstärkten Bauteils verbleibt oder nach dem Formen von diesem entfernt wird. Durch einen solchen Vlieskörper sind weiter verbesserte Oberflächengüten erzeugbar.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der mit dem Matrixwerkstoff imprägnierte Verstärkungskern im Wesentlichen während und/oder nach dem Formen gehärtet. Das Härten erfolgt beispielsweise durch eine chemische Reaktion im Matrixwerkstoff und/oder durch Trocknen des Matrixwerkstoffs, z. B. durch Einbringen von Wärme. Das Härten hat den Vorteil, dass der Matrixwerkstoff besser an den Verstärkungskern gebunden ist.
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Vorzugsweise weist der Verstärkungskern ein zusätzliches Verstärkungsmittel auf. Dies hat den Vorteil, dass eine Festigkeit des Verstärkungskerns, insbesondere eine Zugfestigkeit somit erhöhbar ist.
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Weiter bevorzugt weist das Verstärkungsmittel mindestens eine Endlosverstärkungsfaser auf. Mittels einer derartigen Endlosverstärkungsfaser ist eine Zugfestigkeit des Verstärkungskerns weiter erhöhbar.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Es zeigen schematisch:
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1 ein Flussdiagramm eines Pultrusionsprozesses nach dem Stand der Technik;
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2 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 einen Querschnitt eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Bauteils für ein Kraftfahrzeug.
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1 zeigt in einem Flussdiagramm einen Pultrusionsprozess nach dem Stand der Technik. In einem ersten Verfahrensschritt nach dem Stand der Technik 10 wird ein Verstärkungsfaserstrang bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt nach dem Stand der Technik 20 wird der Verstärkungsfaserstrang in einer Imprägniervorrichtung mit einem Matrixwerkstoff imprägniert. In einem dritten Verfahrensschritt nach dem Stand der Technik 30 wird der imprägnierte Verstärkungsfaserstrang durch ein Formgebungswerkzeug gezogen, wobei der imprägnierte Verstärkungsfaserstrang zumindest im Wesentlichen aushärtet. In einem vierten Verfahrensschritt 40 wird das Bauteil von einer Schneidvorrichtung auf eine vorgegebene Länge geschnitten
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2 zeigt in einem Flussdiagramm eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird ein Verstärkungskern 2 bereitgestellt. Der Verstärkungskern 2 ist als Vlies 4 ausgebildet, wobei das Vlies 4 Verstärkungsfasern 3 aufweist. Alternativ kann der Verstärkungskern 2 zusätzlich noch weitere Verstärkungsmittel, wie z. B. Endlosfasern, aufweisen. Das Bereitstellen erfolgt beispielsweise von einer oder mehreren Rollen auf denen der Verstärkungskern 2 bzw. einzelne Teile des Verstärkungskerns 2 aufgewickelt sowie abrollbar sind. In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird der Verstärkungskern 2 in eine Imprägniervorrichtung gezogen und dort mit einem Matrixwerkstoff 5 imprägniert. In einem dritten Verfahrensschritt 300 wird der Verstärkungskern 2 durch ein Formwerkzeug gezogen. Hierdurch erhält der imprägnierte Verstärkungskern 2 einen Querschnitt, der dem Querschnitt des herzustellenden faserverstärkten Bauteils 1 entspricht. Der zweite Verfahrensschritt 200 und der dritte Verfahrensschritt 300 können alternativ auch vertauscht werden. In einem vierten Verfahrensschritt 400 wird das Bauteil von einer Schneidvorrichtung auf eine vorgegebene Länge geschnitten. Ein Härten des imprägnierten Verstärkungskerns 2 kann beispielsweise direkt nach dem Imprägnieren und vor dem vierten Verfahrensschritt, z. B. durch einbringen von Wärme oder eine chemische Reaktion des Matrixwerkstoffs, erfolgen.
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3 zeigt einen Querschnitt eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Bauteils 1 für ein Kraftfahrzeug. Das faserverstärkte Bauteil 1 weist einen Verstärkungskern 2 auf, der als Vlies 4 ausgebildet ist, wobei das Vlies 4 Verstärkungsfasern 3 aufweist. Das Bauteil 1 weist einen gehärteten Matrixwerkstoff 5 auf, der in den Zwischenräumen des Verstärkungskerns 2 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserverstärktes Bauteil
- 2
- Verstärkungskern
- 3
- Verstärkungsfaser
- 4
- Vlies
- 5
- Matrixwerkstoff
- 10
- erster Verfahrensschritt nach dem Stand der Technik
- 20
- zweiter Verfahrensschritt nach dem Stand der Technik
- 30
- dritter Verfahrensschritt nach dem Stand der Technik
- 40
- vierter Verfahrensschritt nach dem Stand der Technik
- 100
- erster Verfahrensschritt
- 200
- zweiter Verfahrensschritt
- 300
- dritter Verfahrensschritt
- 400
- vierter Verfahrensschritt
