DE102015207392A1

DE102015207392A1 - Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils

Info

Publication number: DE102015207392A1
Application number: DE102015207392.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Heiserer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-10-27
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: DE102015207392B4

Abstract

Mit einem Recyclingverfahren werden Abfallstücke von trockenen oder vorimprägnierten Faserhalbzeugen erfindungsgemäß auf äußerst kostengünstige Weise dadurch zu einem hochwertigen Faserverbundbauteil recycelt, dass die Abfallstücke im materialmäßig unveränderten Zustand nach Art eines Patchworks in regelloser Anordnung aneinandergefügt und zum fertigen Faserverbundbauteil konsolidiert werden und dieses dann mit auf der Sichtseite abgebildeter Faserstruktur verbaut wird und/oder dass die einzelnen Abfallstücke im wiederum materialmäßig unveränderten Zustand mit einem jeweils den örtlichen Bauteilbelastungen entsprechenden Faserverlauf zusammengefügt und dann zu einer hochgradig lastspezifisch gestalteten Faserverbundstruktur konsolidiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils aus recycelten Abfallstücken von trockenen oder vorimprägnierten Faserhalbzeugen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2.
Faserverbundbauteile in Form von Verkleidungsteilen, aber auch als hochfeste Tragstrukturen werden zunehmend auch im Kraftfahrzeugbau in hohen Stückzahlen eingesetzt. Dabei fallen große Mengen an Abfallstücken häufig aus wertvollen Carbonfaser-Halbzeugen an, für die aus dem Stand der Technik zahlreiche Recyclingverfahren bekannt sind, nach denen die Abfallstücke auf unterschiedlichste Weise wiederverwertet, z. B. im Wege einer thermischen, elektromagnetischen, chemischen oder pyrolytischen Aufbereitung aufgespalten oder mechanisch bis hin zur Pelletgröße zerkleinert, durchmischt und dann zu einem homogenen Faserverbundbauteil umgestaltet oder als Sandwich-Innenkern aus regellos übereinandergeschichteten Unidirektional Abfällen zwischen oberen und unteren Deckschichten eingebunden werden.
Als Stand der Technik seien beispielsweise die DE 4 325 775 A1 , die DE100 26 761 C1 , die DE 195 14 543 C1 , die DE10 2008 002 846 B4 , die DE 10 2009 023 529 A1 , die DE 10 2010 008 349 A1 , die DE 10 2010 008 370 A1 , die DE 10 2011 081 575 B4 , die EP 2 152 487 B1 und die US 2011 003 6481 A1 genannt.
Alle diese Verfahren sind jedoch zeit- und kostenintensiv und die so recycelten Bauteile zeigen eine andere Faserstruktur als aus Neuware produzierte Vergleichsbauteile und eine zumeist stark verminderte Faserqualität.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Abfallstücke ohne aufwändige Weiterbehandlung zu einem hochwertig gestalteten Faserverbundbauteil recycelt werden.
Diese Aufgabe wir erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 bzw. 2 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Nach der ersten Alternative der Erfindung werden Abfallstücke mit unterschiedlicher Faserorientierung und -dichte ohne aufwändige Weiterbehandlung, sondern allenfalls nach einem größenmäßigen und kantenkonformen Zuschnitt nach Art eines Patchworkmusters in regelloser Anordnung flächig derart aneinandergefügt und konsolidiert, dass sich die Faserstruktur der einzelnen Abfallstücke auf der Sichtseite des Bauteils abzeichnet und ein zufällig gemustertes, von Bauteil zu Bauteil unterschiedliches Patchworkdesign – bei alleiniger Verwendung von Carbonfaserabfällen in abgestuften Grautönen –, ergibt und damit im bevorzugten Anwendungsfall von Kraftfahrzeug-Verkleidungsteilen auf äußerst kostengünstige Weise ein für jedes Fahrzeug individualisiertes Erscheinungsbild in die Fahrzeug-Außenfläche integriert wird.
Alternativ werden die Faserabfälle gemäß Anspruch 2 im wiederum materialmäßig unveränderten Zustand zur Herstellung eines lastgerecht faserverstärkten Bau- und insbesondere tragenden Strukturbauteils in der Weise genutzt, dass jeweils zur örtlichen Belastungsrichtung und -höhe des herzustellenden Bauteils passende Abfallstücke ausgewählt und an der entsprechenden Stelle im Fügeverbund der Abfallstücke platziert werden, so dass mit äußerst geringem Zeit- und Kostenaufwand ein Faserverbundbauteil mit einer hochgradig lastspezifischen Faserverstärkung aus den Faserabfällen recycelt wird.
Um die Gestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäß hergestellten Bauteils in weiten Grenzen variieren zu können, wird der Faserverbund gemäß Anspruch 3 vorzugsweise aus einer breiten Palette von nicht nur größen- und formmäßig zugeschnittenen, sondern auch hinsichtlich Faserverlaufs und/oder Faserdichte und/oder Fasersorte bzw. Faserfestigkeit unterschiedlichen Abfallstücken zusammengefügt.
Je nach den Lastanforderungen an das Faserverbundbauteil werden die einzelnen Abfallstücke auf verschiedenartige Weise miteinander verbunden. So ist es für geringer beanspruchte Bauteile ausreichend, die Abfallstücke gemäß Anspruch 4 an ihren Stoßstellen miteinander zu vernähen. Bei höheren Festigkeitsanforderungen empfiehlt es sich hingegen, die Abfallstücke nach Anspruch 5 im Stoßstellenbereich zu doppeln.
Hochfeste Strukturbauteile werden gemäß Anspruch 6 vorzugsweise aus mehreren, sich an den jeweiligen Stoßstellen überlappenden Einzellagen von Abfallstücken aufgebaut, wobei sich in diesem Fall beide Varianten der Erfindung in der Weise kombinieren lassen, dass die im Sichtbereich liegende Außenlage aus regellos angeordneten Abfallstücken besteht, während die Abfallstücke in den übrigen Faserlagen nach Maßgabe der zusammen mit der Außenlage örtlich geforderten Bauteilfestigkeit und -steifigkeit ausgewählt werden.
Gemäß Anspruch 7 wird für die Abfallstücke aus Festigkeits- und/oder in der Regel auch aus optischen Gründen ein Carbonfasermaterial bevorzugt, je nach Anwendungsfall lassen sich jedoch auch Abfallstücke anderer Fasermaterialien entweder sortenrein im gesamten Bauteil oder auch aus bereichsweise unterschiedlichen Fasersorten zusammenstellen.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:
1 die Aufsicht eines auf der Sichtseite aus regellos zusammengestellten Abfallstücken bestehenden Faserverbundbauteils nach der Erfindung;
2a, b Schnittdarstellungen des in 1 gezeigten Faserverbunds mit unterschiedlichen Fügeverbindungen zwischen den Abfallstücken; und
3 eine erfindungsgemäß recycelte Faserverbund-Tragstruktur im Schnitt.
1 zeigt die Aufsicht auf die sichtseitige Außenfläche eines erfindungsgemäß aus Abfallstücken 1 recycelten Faserverbundbauteils 2, etwa in Form eines dünnwandigen Verkleidungs- oder Außenhautteils eines Kraftfahrzeugs.
Die Abfallstücke 1 fallen als Verschnittteile bei der Verarbeitung von trockenen oder vorimprägnierten Faserhalbzeugen an und werden erforderlichenfalls größen- und kantenkonform zugeschnitten und dann im ansonsten unveränderten Zustand nach dem Zufallsprinzip glattflächig aneinandergefügt.
Gemäß 1 bestehen die Abfallstücke 1 beispielsweise aus quadratischen Verschnittteilen gleicher Kantenlänge aus Carbonfaserhalbzeugen und besitzen jeweils unterschiedliche Faserorientierungen und -dichten, so dass deren sich auf der Sichtseite abbildende Faserstruktur ein schachbrettartiges Erscheinungsbild in abgestuft schraffierten Grautönen ergibt. So besitzen die Abfallstücke 1a und 1b einen unidirektionalen Faserverlauf und eine geringe Faserdichte und die Abfallstücke 1c und 1d einen ebenfalls unidirektionalen Faserverlauf, aber eine etwas höhere Faserdichte, während die Abfallstücke 1e und 1f eine sich kreuzende Faserstruktur mit vergleichsweise geringer (Abfallstück 1e) bzw. höherer Faserdichte (Abfallstück 1f) aufweisen. An den Abfallstücken 1g, 1h und 1i ist die Faserdichte so groß, dass sich die Faserstruktur nicht mehr auf der Sichtseite abbildet, sondern als gleichförmig getöntes Flächenfeld erscheint.
Das mit den Abfallstücken 1 erzeugte Flächenmuster ist natürlich nicht auf das gezeigte Schachbrettdesign beschränkt. Vielmehr lassen sich auf diese Weise praktisch beliebige und auch farblich unterschiedliche Flächenmuster nach Art eines Patchworkdesigns, angefangen von Rechteckmustern bis hin zu mosaik- oder auch puzzleförmigen Sichtmustern aus entsprechenden, größen- und randkonturmäßig aufeinander abgestimmten Abfallstücken 1 zusammenstellen, und zwar auch aus solchen, welche anstatt im gesamten Bauteil 2 durchgehend aus der gleichen aus jeweils unterschiedlichen Fasersorten bestehen. Das beschriebene Recyclingverfahren bietet daher auf äußerst kostengünstige Weise eine nahezu unbegrenzte Vielfalt von Gestaltungsmöglichkeiten zur Individualisierung von Faserverbundbauteilen 2 im Sichtbereich.
Die so aneinandergereihten Abfallstücke 1 werden an ihren aneinandergrenzenden Stoßstellen 3 (2) im Falle geringer Bauteilbelastungen miteinander vernäht (Naht 4 gemäß 2a) oder, falls eine Verbindungsnaht 4 aus Festigkeitsgründen nicht ausreicht, auf der Unterseite durch weitere, beliebige Abfallstücke 5 (2b) gedoppelt und dann zum fertigen Bauteil 2 konsolidiert. Abweichend von 2 müssen die Bauteile 2 nicht unbedingt eben geformt sein, sondern mit entsprechend gestalteten Formwerkzeugen lassen sich ohne Weiteres auch gekrümmte Bau- und insbesondere Außenhaut- oder innenliegende Verkleidungsteile 2 herstellen.
Nach der in 3 dargestellten Variante wird aus den Abfallstücken 1 anstelle eines optisch individualisierten ein hochgradig lastspezifisch gestaltetes tragendes Faserverbundbauteil 2 hergestellt. Dieses besteht aus mehreren übereinanderliegenden Einzellagen 6.1, 6.2, 6.3 ..., zwischen denen sich die Abfallstücke 1 im Stoßstellenbereich 3 gegenseitig überlappen. Die Abfallstücke 1 werden nicht mehr, wie bei der oben beschriebenen Variante, mehr oder weniger regellos zu einem hochwertigen Oberflächendesign zusammengefügt, sondern gezielt nach Maßgabe der örtlichen Bauteilbelastung ausgewählt und an den entsprechen Stellen des Faserverbunds platziert. So werden die mittleren Abfallstücke 1a mit einer quasi-isotropen Faserstruktur im Bereich gemischter Bauteilbelastungen angeordnet und erforderlichenfalls auch noch gedoppelt (Abfallstücke 7), während die Abfallstücke 1b mit unidirektionalem Faserverlauf an den Stellen vorwiegend in Faserrichtung wirkender Zugbeanspruchungen positioniert werden. Für die Auswahl der übrigen Abfallstücke 1 hinsichtlich Faserverlauf, Faserdichte und Fasersorte gilt sinngemäß das Gleiche. Der so aufgebaute Abfallstapel wird dann in einem entsprechenden Formwerkzeug zu einem hochgradig lastspezifisch gestalteten Bauteil 2 konsolidiert.
Im Rahmen der Erfindung lassen sich beide Lösungsvarianten in einem einzigen Bauteil 2 in der Weise miteinander kombinieren, dass mit den Abfallstücken 1 in der Außenlage 6.1 ein hochwertiges Patchworkdesign erzeugt wird (1 und 2) und die Abfallstücke 1 in den übrigen Faserlagen 6.2, 6.3 ... nach Maßgabe der zusammen mit der Außenlage 6.1 örtlich geforderten Bauteilfestigkeit und -steifigkeit, also entsprechend der Variante nach 3, ausgewählt und positioniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4325775 A1 [0003]
DE 10026761 C1 [0003]
DE 19514543 C1 [0003]
DE 102008002846 B4 [0003]
DE 102009023529 A1 [0003]
DE 102010008349 A1 [0003]
DE 102010008370 A1 [0003]
DE 102011081575 B4 [0003]
EP 2152487 B1 [0003]
US 20110036481 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (2) aus recycelten Abfallstücken (1) von trockenen oder vorimprägnierten Faserhalbzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfallstücke im materialmäßig unveränderten Zustand in regelloser Anordnung aneinandergefügt und zum fertigen Bauteil konsolidiert werden und dieses dann mit auf der Sichtseite abgebildeter Faserstruktur verbaut wird.
Verfahren zum Herstellen eines Faserverbundbauteils (2) aus recycelten Abfallstücken (1) von trockenen oder vorimprägnierten Faserhalbzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Abfallstücke im materialmäßig unveränderten Zustand und jeweils mit einem für das herzustellende Bauteil lastgerechten Faserverlauf zusammengefügt und dann zum fertigen Bauteil konsolidiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Abfallstücke (1) mit jeweils unterschiedlichem, unidirektionalen, sich kreuzenden oder quasiisotropen Faserverlauf zusammengefügt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfallstücke (1) an ihren Stoßstellen (3) miteinander vernäht werden (Nähte 4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfallstücke (1) im Stoßstellenbereich (3) gedoppelt werden (Abfallstücke 5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfallstücke (1) in übereinanderliegenden, sich an den Stoßstellen (3) gegenseitig überlappenden Einzellagen (6) zusammengefügt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige Abfallstücke (1) aus Carbonfasermaterial bestehen.