DE102016203168A1

DE102016203168A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils sowie ein Faserverbundbauteil

Info

Publication number: DE102016203168A1
Application number: DE102016203168.6A
Authority: DE
Inventors: Hanno Pfitzer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2036-03-01
Also published as: DE102016203168B4

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug ist beschrieben, wobei wenigstens ein trockener Roving (14) mittels einer Induktionseinheit (16) induktiv erwärmt wird. Ferner ist ein Faserverbundbauteil beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug sowie ein Faserverbundbauteil.
Aufgrund ihrer hohen Stabilität bei geringem Gewicht werden Faserverbundbauteile immer häufiger eingesetzt, beispielsweise in der Automobilindustrie zur Herstellung von Kraftfahrzeugen. Die Faserverbundbauteile können auf unterschiedliche Weise hergestellt werden, wobei bei den meisten Verfahren zuvor ein Faser-Halbzeug aus Fasern bereitgestellt wird, beispielsweise Kohlenstofffasern, welches zur Herstellung des Faserverbundbauteils mit einem matrixbildenden Material imprägniert wird. Das Faser-Halbzeug wird typischerweise durch Rovings gebildet, die ein Bündel aus einzelnen Fasern bzw. Filamenten umfassen. Die Rovings weisen einen vordefinierten Querschnitt auf, der rund, elliptisch oder rechteckig ist.
Als nachteilig hat sich herausgestellt, dass die Materialeinsatzquote der Rovings bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils sehr hoch ist, also das Verhältnis des eingekauften Materials zum verwendeten Material. Dies liegt unter anderem daran, dass die Rovings aufgrund ihres vorgegebenen Querschnitts nur in vorgegebener Form und Weise abgelegt werden können, weswegen ein hoher Verschnitt vorliegt, was hohe Kosten verursacht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils bereitzustellen, mit dem ein Faserverbundbauteil effizient und kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug gelöst, wobei wenigstens ein trockener Roving mittels zumindest einer Induktionseinheit induktiv erwärmt wird.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Faserverbundbauteil gelöst, das gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die Ablage der Rovings zum Faser-Halbzeug variabler zu gestalten, indem der Roving im trockenen Zustand bereits erwärmt wird, sodass sich dieser leichter formen und variabel ablegen lässt. Die Erwärmung des trockenen Rovings erfolgt dabei kontaktlos und schnell, da der zur Erwärmung des Rovings vorgesehene Strom induktiv in den Roving eingebracht wird. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Fasern bzw. Filamente des Rovings elektrisch leitend sind, wodurch der Roving induktiv erwärmt werden kann. Aufgrund der Joule'schen Verluste innerhalb des Rovings durch den jeweiligen elektrischen Widerstand erwärmt sich der Roving entsprechend. Eine Beschädigung des Rovings wird aufgrund der kontaktlosen Erwärmung vermieden.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine trockene Roving vor seiner Ablage in einem Faser-Halbzeug induktiv erwärmt wird. Der Roving kann aufgrund seiner Erwärmung vor seiner Ablage bzw. Weiterverarbeitung zu einem Faser-Halbzeug besser geformt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der wenigstens eine Roving nach dem Erwärmen vorgetränkt, insbesondere mit einem matrixbildenden Material. Der trockene Roving kann über die Erwärmung auf ein Temperaturniveau gebracht werden, welches die Infiltrierung des wenigstens einen trockenen Rovings verbessert. Der wenigstens eine vorgetränkte Roving wird auch als „Prepreg” bezeichnet.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Roving in Abhängigkeit vom verwendeten matrixbildenden Material erwärmt wird. Bei dem matrixbildenden Material kann es sich um dasjenige handeln, mit dem der Roving vorgetränkt wird, und/oder dasjenige, das zur Ausbildung des Faserverbundbauteils im Werkzeug verwendet wird. Die über die Induktionseinheit eingebrachte Wärmeenergie wird in Abhängigkeit vom verwendeten matrixbildenden Material gewählt, wodurch eine individuelle Anpassung an unterschiedliche matrixbildende Materialen gewährleistet ist. Hierdurch ist eine optimale Anpassung möglich, da diese individuell erfolgt. Durch die induktive Erwärmung des Rovings wird unter anderem auch eine die einzelnen Fasern bzw. Filamente des Rovings umgebene Schlichte des Rovings auf ihren Erweichungspunkt gebracht. Dieser ist abhängig vom jeweils verwendeten Material der Schlichte, die typischerweise aus einem Polymer besteht.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird der wenigstens eine Roving abgelegt, insbesondere nachdem der Roving vorgetränkt worden ist. Der Roving kann dabei zu einem Faser-Halbzeug oder als Teil des Faser-Halbzeugs abgelegt werden. Der abgelegte Roving, insbesondere als Teil des Faser-Halbzeugs, wird im Werkzeug vollständig mit einem matrixbildenden Material getränkt, um das Faserverbundbauteil im Werkzeug auszubilden.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der wenigstens eine Roving gespreizt wird, insbesondere bevor er abgelegt wird. Beim Spreizen des wenigstens einen Rovings wird insbesondere der Querschnitt des Rovings verändert, sodass sich dieser individuell einstellen lässt. Die Spreizung des Rovings kann vor oder nach der induktiven Erwärmung des trockenen Rovings erfolgen, sodass ein bereits gespreizter trockener Roving induktiv erwärmt wird. Die Erwärmung der einzelnen Fasern bzw. Filamente kann hierdurch schneller erfolgen. Sofern der Roving erst nach der Erwärmung gespreizt wird, kann die Spreizung einfacher erfolgen, da die Schlichte des Rovings vorab auf ihren Erweichungspunkt erwärmt worden ist und ihr mechanischer Widerstand entsprechend geringer ist.
Insbesondere wird der wenigstens eine Roving so gespreizt, dass ein gewünschtes Flächengewicht erreicht wird. Hierdurch kann der Roving variabler abgelegt werden, wodurch das Herstellungsverfahren einfacher durchgeführt werden kann. Zudem verringert sich der Materialeinsatz aufgrund der Spreizung auf das erforderliche Flächengewicht, was die Kosten der Herstellung reduziert.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der wenigstens eine Roving von einer Rovingspule abgezogen wird, wobei der Roving nach dem Abzug induktiv erwärmt wird. Die induktive Erwärmung des Rovings kann somit unmittelbar nach dem Abzug von der Rovingspule erfolgen, sodass die weiteren Vorbehandlungen des Rovings zwischen dem Abzug und der Ablage erfolgen, insbesondere wenn der Roving bereits erwärmt worden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der wenigstens eine Roving zumindest eine Kohlenstofffaser. Kohlenstofffasern sind grundsätzlich elektrisch leitend, weswegen sie sich für den Einsatz bei einem Roving eignen, der mittels einer Induktionseinheit induktiv erwärmt wird. Alternativ oder ergänzend können weitere elektrisch leitfähige Fasern vorgesehen sein.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der einzigen Figur, auf die Bezug genommen wird.
In der Figur ist ein System 10 schematisch gezeigt, mit dem ein Faserverbundbauteil für ein Kraftfahrzeug hergestellt werden kann.
Das System 10 umfasst eine Rovingspule 12, auf der ein durchgehender Roving 14 aufgewickelt ist.
Der Roving 14 wird von der Rovingspule 12 abgezogen, sodass der Roving 14 weiterverarbeitet werden kann.
Das System 10 umfasst hierzu wenigstens eine Induktionseinheit 16, die in der gezeigten Ausführungsform unmittelbar im Anschluss an die Rovingspule 12 vorgesehen ist. In der Induktionseinheit 16 wird der Roving 14 kontaktlos und schnell auf ein vorgesehenes Temperaturniveau erwärmt.
Im Anschluss an die Induktionseinheit 16 sind in der gezeigten Ausführungsform des Systems 10 eine optionale Spreizeinheit 18, in der der Roving 14 gespreizt wird, und eine optionale Vorimprägniereinheit 20 vorgesehen, mit der der noch trockene Roving 14 mit einem matrixbildenden Material vorimprägniert werden kann.
Danach wird der Roving 14 auf einem Tisch 22 abgelegt, auf dem er zu einem Faser-Halbzeug geformt wird. Zur Ausbildung des Faser-Halbzeugs können weitere Rovings verwendet werden.
Anschließend kann das Faser-Halbzeug in ein Werkzeug 24 eingelegt werden, in dem das Faserverbundbauteil hergestellt wird. Im Werkzeug 24 wird das Faser-Halbzeug mit einem matrixbildenden Material getränkt und unter Druck ausgehärtet. Alternativ kann der Roving 14 auch direkt in das Werkzeug 24 eingebracht werden.
Im Folgenden wird die Herstellung eines Faserverbundbauteils detailliert beschrieben.
Der von der Rovingspule 12 abgezogene Roving 14, der trocken ist, wird in der Induktionseinheit 16 auf ein Temperaturniveau gebracht, das unter anderem davon abhängig ist, mit welchem matrixbildenden Material der Roving 14 später (vor-)imprägniert wird. Über das Temperaturniveau des trockenen Rovings 14 kann unter anderem seine Tränkungseigenschaften eingestellt werden, also wie schnell das matrixbildende Material den Roving 14 infiltriert.
Ferner wird der Roving 14 in der Induktionseinheit 16 derart erwärmt, dass sich eine die einzelnen Fasern und Filamente des Rovings 14 umgebene Schlichte erwärmt, sodass diese ihren Erweichungspunkt erreicht. Üblicherweise handelt es sich bei der Schlichte um eine Hülle aus einem Polymer.
Im Anschluss wird der erwärmte Roving 14 in der gezeigten Ausführungsform zur optionalen Spreizeinheit 18 geführt, in der der Roving 14 auf ein gewünschtes Flächengewicht gespreizt wird. Beispielsweise kann der Roving 14 von seiner ursprünglichen Breite von zwischen 12 und 14 mm auf eine Breite von 23 bis 24 mm gespreizt werden. Hierdurch lässt sich der Materialeinsatz bei der Herstellung des Faserverbundbauteils generell verringern, da unter anderem ein gewünschtes Flächengewicht eingestellt werden kann. Des Weiteren lässt sich der Querschnitt des Rovings 14 in der Spreizeinheit 18 verändern.
Alternativ kann die Spreizeinheit 18 zwischen der Rovingrolle 12 und der Induktionseinheit 16 vorgesehen sein, sodass der Roving 14 zunächst gespreizt wird, bevor er in der Induktionseinheit 16 erwärmt wird. Ferner kann das System 10 eine zweite Spreizeinheit 18 umfassen, sodass eine vor und eine nach der Induktionseinheit 16 vorgesehen ist.
Sofern der Roving 14 zunächst in der Induktionseinheit 16 erwärmt wird, gestaltet sich die Spreizung in der Spreizeinheit 18 einfacher. Dies liegt unter anderem daran, dass die Schlichte des Rovings 14 vorab erwärmt worden ist, insbesondere auf ihren Erweichungspunkt. Sofern das Material der Schlichte den Erweichungspunkt bei der induktiven Erwärmung erreicht hat, lässt sich der Roving 14 einfacher spreizen, da der mechanische Widerstand der Schlichte geringer ist.
Der erwärmte und gespreizte Roving 14 erreicht in der gezeigten Ausführungsform anschließend die Vorimprägniereinheit 20, in der der Roving 14 mit einem matrixbildenden Material vorgetränkt bzw. vorimprägniert wird. Diese Imprägnierung des bisher trockenen Rovings 14 stellt noch nicht die endgültige Imprägnierung im Werkzeug dar, in dem das Faserverbundbauteil hergestellt wird. Vielmehr wird durch die optionale Vorimprägnierung ein sogenannter „Prepreg” bereitgestellt, der sich für die Weiterverarbeitung bei gewissen Prozessen besser eignet.
Der Roving 14 kann in der Induktionseinheit 16 bereits in Abhängigkeit von dem matrixbildenden Material erwärmt worden sein, mit dem der Roving 14 in der Vorimprägniereinheit 20 vorimprägniert wird. Der Roving 14 weist demnach eine Temperatur auf, bei der er besonders gut imprägniert werden kann. Hierbei können unter anderem die Fließeigenschaften des matrixbildenden Materials berücksichtigt werden.
Alternativ kann der Vorimprägniereinheit 20 eine weitere Induktionseinheit vorgeschaltet sein, die den Roving 14 auf ein anderes Temperaturniveau bringt als die erste Induktionseinheit 16. Hierdurch lassen sich individuelle Temperaturbereiche für das Spreizen in der Spreizeinheit 18 sowie für das Infiltrieren in der Vorimprägniereinheit 20 einstellen.
Anschließend wird der Roving 14 auf den Tisch 22 abgelegt, auf dem er mit weiteren Rovings zu einem Faser-Halbzeug zusammengefügt wird, das anschließend in das Werkzeug 24 eingelegt wird.
Alternativ kann der Roving 14 auch direkt in das Werkzeug 24 eingelegt werden, in dem das matrixbildende Material, welches vorzugsweise dasselbe wie dasjenige in der Vorimprägniereinheit 20 ist, eingebracht wird, um das Faserverbundbauteil herzustellen.
Vorzugsweise weist der Roving 14 zumindest eine Kohlenstofffaser auf, die von der Induktionseinheit 16 induktiv erwärmt wird. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Roving 14 nur Kohlenstofffasern.
Alternativ können auch weitere Fasern vorgesehen sein bzw. Rovings 14 aus anderen Fasern gebildet sein, die ebenfalls elektrisch leitfähig sind, sodass sie sich induktiv erwärmen lassen.
Ferner können Rovings 14 vorgesehen sein, die Fasern umfassen, die generell nicht elektrisch leitfähig sind, jedoch Zusätze aufweisen, wodurch sich eine induktive Erwärmung der Rovings 14 ergeben kann.
Das System 10 kann ferner weitere Induktionseinheiten aufweisen, die beispielsweise das Aushärten des matrixbildenden Materials im Werkzeug unterstützen.
Generell ist somit ein Verfahren bereitgestellt, mit dem die Einsatzquote halbiert werden kann, sodass das Material nahezu 1:1 weiterverarbeitet wird. Entsprechend ist ein Faserverbundbauteil geschaffen, das einfach und kostengünstig hergestellt worden ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für ein Kraftfahrzeug, wobei wenigstens ein trockener Roving (14) mittels zumindest einer Induktionseinheit (16) induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine trockene Roving (14) vor seiner Ablage in einem Faser-Halbzeug induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Roving (14) nach dem Erwärmen vorgetränkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Roving (14) in Abhängigkeit vom verwendeten matrixbildenden Material erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Roving (14) abgelegt wird, insbesondere nachdem der Roving (14) vorgetränkt worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Roving (14) gespreizt wird, insbesondere bevor er abgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Roving (14) so gespreizt wird, dass ein gewünschtes Flächengewicht erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Roving (14) von einer Rovingspule (12) abgezogen wird, wobei der Roving (14) nach dem Abzug induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Roving (14) zumindest eine Kohlenstofffaser umfasst.
Faserverbundbauteil für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbundbauteil gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt worden ist.