DE102016207604A1

DE102016207604A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Kunststoffbauteils

Info

Publication number: DE102016207604A1
Application number: DE102016207604.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Wittig; Sarah Klawitter; Andreas Retzlaff
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2017-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Kunststoffbauteils (1), bei dem in einem Bereitstellungsschritt ein Dreilagenaufbau (9) mit einer mittleren Kernfaserschicht (11) aus Endlosverstärkungsfasern und mit äußeren Thermoplast-Deckschichten (13) bereitgestellt wird, in einem Heizschritt der Dreilagenaufbau (9) bis über die Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials (3) in den Deckschichten (13) erwärmt wird, und zwar unter Bildung eines Organoblechteils (19), bei dem die Kernfaserschicht (11) mit dem Thermoplastmaterial (3) durchtränkt ist, und in einem Umformschritt das bis über die Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials (3) erwärmte Organoblechteil (19) zu dem Kunststoffbauteil (1) geformt wird. Erfindungsgemäß werden die äußeren Thermoplast-Deckschichten (13) und/oder die mittlere Kernfaserschicht (11) mit Thermoplast-Hohlkugeln (7) mit einer darin eingekapselten Treibmittel-Ausgangskomponente bereitgestellt, die zur Bildung einer Schaumstruktur unter Erwärmung expandieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Kunststoffbauteils nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Kunststoffbauteil nach dem Patentanspruch 10.
Ein solches Kunststoffbauteil kann aus einem hochfesten Organoblechteil hergestellt sein, das im Vergleich zu einem herkömmlichen Metall-Blechteil ein reduziertes Bauteilgewicht aufweist. Unter einem Organoblechteil ist in der vorliegenden Anmeldung ein Blechteil aus einem endlosfaserverstärkten, thermoplastischen Faserverbund-Kunststoff zu verstehen. Das Organoblechteil kann dabei aus verschiedenen Endlosfaser-Materialien, wie zum Beispiel Kohlenstoff, Basalt und verschiedenen thermoplastischen Matrixsystemen, etwa Polyamid, Polypropylen, bestehen.
In einem gattungsgemäßen Verfahren wird in einem Bereitstellungsschritt ein Dreilagenaufbau mit einer mittleren Kernfaserschicht aus Endlosverstärkungsfasern und äußeren Thermoplast-Deckschichten bereitgestellt. Anschließend wird in einem Heizschritt der Dreilagenaufbau bis über die Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials in den Thermoplast-Deckschichten erwärmt, und zwar unter Bildung eines Organoblechteils, bei dem die Kernfaserschicht mit dem Thermoplastmaterial durchtränkt ist. Danach erfolgt ein Umformschritt, bei dem das bis über die Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials erwärmte Organoblechteil zu dem Kunststoffbauteil geformt wird.
Aus der DE 10 2008 057 058 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Vliesstoffes mit geringer Dichte sowie erhöhter Stabilität unter Verwendung von Mikrohohlkugeln bekannt. Die Mikrohohlkugeln werden vorbereitend an dem Faserstoff des Vliesmaterials angebunden. Anschließend wird das mit den pulverförmigen Mikrohohlkugeln beschichtete Vliesmaterial unter Expansion der Mikrohohlkugeln erwärmt. Aus der DE 10 2012 105 425 A1 ist ein Faserhalbzeug bekannt, in dem thermisch expandierbare Füllstoffpartikel in Pulverform eingebracht sind, die bei einer Wärmebehandlung des Faserhalbzeugs unter Bildung einer Schaumstruktur expandieren. Aus der DE 10 2010 047 533 A1 ist ebenfalls ein Faservlies bekannt, das als Füllstoff mit noch ungeblähten Mikrohohlkörpern durchsetzt ist. Bei einer Wärmebehandlung des Faservlieses erfolgt eine Expansion der Mikrohohlkörper, wodurch sich im Faservlies eine Schaumstruktur ergibt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Kunststoffbauteils sowie ein solches Kunststoffbauteil bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik ein reduziertes Bauteilgewicht aufweist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass das bei der Herstellung des Faserverbund-Kunststoffbauteils eingesetzte Organoblechteil nicht in einem herkömmlichen chemischen oder physikalischen Aufschäumvorgang (das heißt in einer Schäumungsanlage) aufschäumbar ist. Ein zur Bildung einer solchen Schaumstruktur in das Organoblechteil eingeleitetes oder erzeugtes thermochemisches Treibmittel würde sich vielmehr ohne Aufschäumwirkung verflüchtigen. Vor diesem Hintergrund werden gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die zur Bildung des Organoblechteils bereitgestellten äußeren Thermoplast-Deckschichten und/oder die mittlere Kernfaserschicht mit Thermoplast-Hohlkugeln (das heißt sogenannte Mikrosphären) mit darin eingekapselten, niedrigsiedenden Alkanen (Kohlenwasserstoffe) bereitgestellt. Die Thermoplast-Mikrohohlkugeln expandieren im Laufe der Herstellung des Organoblechteils unter Erwärmung durch die Umwandlung der Alkane vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, wodurch sich im Organoblechteil eine Schaumstruktur bildet. Mit der im Organoblechteil integrierten Schaumstruktur wird nicht nur dessen Bauteilgewicht reduziert, sondern ergeben sich auch günstigere Bauteileigenschaften hinsichtlich der Dämpfung von Schwingungen, Akustikemissionen und Temperaturen.
Die zur Herstellung des Organoblechteils verwendete mittlere Kernfaserschicht kann bevorzugt ein Fasergewebe aus Endlosverstärkungsfasern sein. In einer ersten Ausführungsvariante kann der für die Bildung des Organoblechteils bereitgestellte Dreilagenaufbau ein loser Mattenverbund sein. Die beiden äußeren Thermoplast-Deckschichten des losen Mattenverbunds können exemplarisch Faservliese oder Fasermatten sein, die zumindest teilweise oder vollständig aus Thermoplastfasern aufgebaut sind und in der Nadelungstechnik hergestellt sind. Zudem können die Faservliese oder Fasermatten zusätzlich auch weiteres Fasermaterial, zum Beispiel Naturfasern, aufweisen. Die noch nicht expandierten Thermoplast-Hohlkugeln werden in Pulverform in die Kernfaserschicht und/oder in die Thermoplast-Deckschichten eingebracht oder darauf aufgebracht. In einem alternativen Verfahren können die Mikrosphären auch direkt in den thermoplastischen Fasern enthalten sein.
Der Heizschritt zur Bildung des Organoblechteils kann in einer ersten Prozessvariante in einer Heizpresse erfolgen, in der der Dreilagenaufbau unter Wärme und Druck sowie bei gleichzeitigem Verdichten der Thermoplast-Deckschichten (das heißt der Faservliese oder Fasermatten) zu dem Organoblechteil gepresst wird. Der in der Heizpresse erfolgende Heizschritt kann so ausgelegt sein. dass nicht nur das Thermoplastmaterial der Thermoplast-Deckschichten aufschmilzt, sondern zusätzlich auch die Thermoplast-Hohlkugeln expandieren.
Bevorzugt kann das in der obigen Heizpresse erwärmte Organoblechteil prozesstechnisch günstig unmittelbar anschließend noch im Heißzustand dem Umformschritt zugeführt werden, in dem das Organoblechteil zum Kunststoffbauteil tiefgezogen bzw. geformt wird.
In der obigen ersten Prozessvariante entspannt sich beim Öffnungsvorgang der Heizpresse das Organoblechteil und schäumt dieses auf, das heißt, dass die Thermoplast-Hohlkugeln expandieren. Im weiteren Prozessverlauf wird das erwärmte, in der Heizpresse vorverdichtete Organoblechteil in die unbeheizte Formpresse eingelegt und das Kunststoffbauteil ausgeformt. Der Umformvorgang ist so ausgelegt, dass die durch die Thermoplast-Hohlkugeln gebildete Schaumstruktur nicht beschädigt wird. Die Temperaturführung beim Heizschritt und/oder beim Umformschritt ist so auszulegen, dass das Aufschmelzen des Thermoplastmaterials sowie das gleichzeitige Expandieren der Thermoplast-Hohlkugeln bei einem Temperaturniveau erfolgen, das die Gasdiffusionsdichtheit der Thermoplast-Hohlkugeln nicht beeinträchtigt. Wie oben erwähnt, können in der obigen ersten Prozessvariante die Thermoplast-Deckschichten jeweils ein Faserhalbzeug aus Thermoplast-Fasern, gegebenenfalls in Kombination mit Naturfasern sein.
In einer zweiten Prozessvariante können die äußeren Thermoplast-Deckschichten nicht als Faservliese, sondern als Thermoplastfolien bereitgestellt werden, in deren Thermoplastmaterial die nicht expandierten, pulverförmigen Thermoplast-Hohlkugeln eingebettet/integriert sind. In diesem Fall kann der Heizschritt in einen ersten Teil-Heizschritt und in einen zweiten Teil-Heizschritt unterteilt sein: Im ersten Teil-Heizschritt wird das Thermoplastmaterial der Thermoplastfolien aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Thermoplastmaterial durchtränkt die mittlere Kernfaserschicht unter Bildung des Organoblechteils. Die Temperaturführung im ersten Teil-Heizschritt ist bevorzugt so ausgelegt, dass keine Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln erfolgt. Es ist erforderlich, dass die Temperatur im ersten Teil-Heizschritt kleiner als im zweiten Teil-Heizschritt ist (das heißt im ersten Teil-Heizschritt unterhalb der Expansionsstarttemperatur der Mikrosphären liegt). Nach dem ersten Teil-Heizschritt kann das gebildete Organoblechteil abgekühlt und danach zwischengelagert oder transportiert werden.
In einer Untervariante sind die Mikrosphären mittels eines Druckverfahrens (Siebdruck o.ä.) ein- oder beidseitig auf die Thermoplastfolie aufgedruckt. Dadurch ist es möglich, das Organoblech nur in definierten Bereichen entsprechend den Anforderungen aufzuschäumen.
Der zweite Teil-Heizschritt dient der unmittelbaren Vorbereitung des Umformschrittes. Die Temperaturführung im zweiten Teil-Heizschritt ist so ausgelegt, dass sowohl das Thermoplastmaterial der Thermoplastfolien aufgeschmolzen wird als auch die Thermoplast-Hohlkugeln unter Bildung der Schaumstruktur expandieren. Das im zweiten Teil-Heizschritt erwärmte Organoblechteil kann prozesstechnisch günstig unmittelbar anschließend, das heißt noch im Heißzustand, im Umformschritt zu dem Kunststoffbauteil geformt werden.
Mit Hilfe der Thermoplast-Hohlkugeln wird ein fertigungstechnisch einfaches Aufschäumen des Organoblechteils ermöglicht. Die Thermoplast-Hohlkugeln können sich bei Hitzeeinwirkung um das Vielfache ihres Volumens ausdehnen. Beispielhaft können die Thermoplast-Hohlkugeln vor dem Heizschritt mikroskopisch sein, das heißt pulverförmig, und zwar mit einem Kugel-Durchmesser im Bereich von 10 bis 20 µm. Nach dem Heizschritt können die expandierten Thermoplast-Hohlkugeln einen Durchmesser im Bereich von 30 bis 50 µm aufweisen. Die Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln erfolgt während des Heizschrittes, bei dem der Dreilagenaufbau bis über die Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials der Thermoplast-Deckschichten erhitzt wird. In diesem Fall können sowohl die Außenseiten der Thermoplast-Hohlkugeln als auch das Thermoplastmaterial der Thermoplast-Deckschichten plastifizieren, das heißt thermoplastisch aufweichen, und sich stoffschlüssig miteinander verbinden.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines fertiggestellten Kunststoffbauteils;
2 bis 4 jeweils Ansichten, die eine Prozessfolge zur Herstellung des Kunststoffbauteils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulichen;
5 bis 8 jeweils Ansichten, die ein Verfahren zur Herstellung des Kunststoffbauteils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulichen.
In der 1 ist ein Faserverbund-Kunststoffbauteil 1 gezeigt. Das Kunststoffbauteil 1 ist als ein Pressformteil realisiert und weist als Matrix ein Thermoplastmaterial 3, zum Beispiel Polypropylen, auf, in das ein Fasergewebe 5 sowie expandierte Thermoplast-Hohlkugeln 7 eingebettet sind, die eine Schaumstruktur bilden und mit dem Thermoplastmaterial 3 verschmolzen sind.
In den 2 bis 4 sind Prozessschritte zur Herstellung des Kunststoffbauteils 1 veranschaulicht: So wird in der 2 zunächst ein Dreilagenaufbau 9 aus einer mittleren Kernfaserschicht 11 sowie aus äußeren Thermoplast-Deckschichten 13 bereitgestellt. Die mittlere Kernfaserschicht 11 ist in der 2 ein trockenes Fasergewebe aus Endlosverstärkungsfasern, während die beiden äußeren Deckschichten 13 als Faservliese bereitgestellt sind, die zumindest Thermoplastfasern und gegebenenfalls zusätzlich Naturfasern aufweisen. Die Kernschicht 11 sowie die beiden äußeren Thermoplast-Deckschichten 13 sind in einem losen Mattenverbund übereinandergeschichtet.
Der in der 2 oder 3 gezeigte lose Mattenverbund wird einem Heizschritt unterworfen, der in einer angedeuteten Heizpresse 15 (3) erfolgt, die obere und untere beheizbare Werkzeughälften 17, 18 aufweist. In der Heizpresse 15 wird der lose Mattenverbund (2) unter Wärme und Druck sowie bei gleichzeitigem Verdichten der aus Faservlies hergestellten Thermoplast-Deckschichten 13 zu einem Organoblechteil 19 (3, rechte Seite) geformt. Die Temperaturführung in der Heizpresse 15 ist dabei so ausgelegt, dass sowohl die Thermoplast-Fasern in den äußeren Thermoplast-Deckschichten 13 aufschmelzen als auch die Thermoplast-Hohlkugeln 7 expandieren.
Wie in der 2 dargestellt, sind die noch nicht expandierten Thermoplast-Hohlkugeln 7 in Pulverform in die Thermoplast-Deckschichten 13 eingebracht oder darauf aufgebracht. Alternativ und/oder zusätzlich können die Thermoplast-Hohlkugeln 7 auch unmittelbar in die Kernfaserschicht 11 eingebracht werden. Alternativ können die Thermoplast-Hohlkugeln auch in den Thermoplastfasern oder in dem Fasergewebe der Kernschicht enthalten sein.
Das in der Heizpresse 15 hergestellte Organoblechteil 19 (3, rechte Seite) kann prozesstechnisch günstig unmittelbar anschließend noch im Heißzustand in eine unbeheizte Formpresse 21 (4) eingelegt und darin unter Bildung des Kunststoffbauteils 1 umgeformt werden.
In den 5 bis 8 ist eine Prozessabfolge gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulicht, in der die äußeren Thermoplast-Deckschichten 13 nicht als Faservliese, sondern vielmehr als Thermoplastfolien bereitgestellt werden, die zusammen mit der mittleren Kernfaserschicht 11 den in der 5 gezeigten Dreilagenaufbau 9 bilden. In dem Material der Thermoplastfolien 13 sind die noch nicht expandierten Thermoplast-Hohlkugeln 7 integriert. Der in der 5 gezeigte Dreilagenaufbau 9 wird anschließend einem Heizschritt unterworfen, der in einen ersten Teil-Heizschritt (6) und in einen zweiten Teil-Heizschritt (7) unterteilt ist.
Im ersten Teil-Heizschritt (6) wird der Dreilagenaufbau 9 mittels einer Infrarotheizung 23 erwärmt. Die Temperaturführung ist dabei so ausgelegt, dass das Thermoplastmaterial 3 der Thermoplastfolien 13 aufschmilzt und die Kernfaserschicht 11 durchtränkt, und zwar unter Bildung des Organoblechteils 19 (6, rechte Seite). Der erste Teil-Heizschritt (6) erfolgt ohne Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln 7. Anschließend wird das so gebildete Organoblechteil 19 als Halbzeug abgekühlt und zwischengelagert. In einem darauffolgenden zweiten Teil-Heizschritt (7) ist die Temperaturführung in Vorbereitung auf den Umformschritt (8) so ausgelegt, dass nicht nur das Thermoplastmaterial 3 der Thermoplastfolien 13 aufschmilzt, sondern zusätzlich auch die Thermoplast-Hohlkugeln 7 expandieren. Es ist daher erforderlich, dass die Temperatur im ersten Teil-Heizschritt kleiner als im zweiten Teil-Heizschritt ist (das heißt im ersten Teil-Heizschritt unterhalb der Expansionsstarttemperatur der Mikrosphären liegt).
Das im zweiten Teil-Heizschritt (7) erwärmte Organoblechteil 19 wird noch im Heißzustand unmittelbar in die Formpresse 21 eingelegt und darin zu dem Kunststoffbauteil 1 umgeformt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008057058 A1 [0004]
DE 102012105425 A1 [0004]
DE 102010047533 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Kunststoffbauteils (1), bei dem in einem Bereitstellungsschritt ein Dreilagenaufbau (9) mit einer mittleren Kernfaserschicht (11) aus Endlosverstärkungsfasern und mit äußeren Thermoplast-Deckschichten (13) bereitgestellt wird, in einem Heizschritt der Dreilagenaufbau (9) bis über die Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials (3) in den Deckschichten (13) erwärmt wird, und zwar unter Bildung eines Organoblechteils (19), bei dem die Kernfaserschicht (11) mit dem Thermoplastmaterial (3) durchtränkt ist, und in einem Umformschritt das bis über die Schmelztemperatur des Thermoplastmaterials (3) erwärmte Organoblechteil (19) zu dem Kunststoffbauteil (1) geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Thermoplast-Deckschichten (13) und/oder die mittlere Kernfaserschicht (11) mit Thermoplast-Hohlkugeln (7) mit einer darin eingekapselten Treibmittel-Ausgangskomponente bereitgestellt werden, die zur Bildung einer Schaumstruktur unter Erwärmung expandieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernfaserschicht (11) ein Fasergewebe aus Endlosverstärkungsfasern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die noch nicht expandierten Thermoplast-Hohlkugeln (7) in die Kernfaserschicht (11) und/oder in die Thermoplast-Deckschichten (13) eingebracht und/oder darauf aufgebraucht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dreilagenaufbau (9) als ein loser Mattenverbund bereitgestellt wird, bei dem die äußeren Thermoplast-Deckschichten (13) Faservliese oder Fasermatten sind, die zumindest aus Thermoplastfasern aufgebaut ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizschritt in einer Heizpresse (15) erfolgt, in der der Dreilagenaufbau (9) unter Wärme und Druck bei gleichzeitigem Verdichten der Thermoplast-Deckschichten (13) zu dem Organoblechteil (19) gepresst wird, und dass insbesondere der in der Heizpresse (15) erfolgende Heizschritt unter Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln (7) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Heizpresse (15) erwärmte Organoblechteil (19) prozesstechnisch unmittelbar anschließend im Umformschritt zu dem Kunststoffbauteil (1) geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Thermoplast-Deckschichten (13) als Thermoplastfolien bereitgestellt werden, und dass insbesondere im Material der Thermoplastfolien (13) die noch nicht expandierten Thermoplast-Hohlkugeln (7) integriert sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizschritt in einen ersten Teil-Heizschritt und in einen zweiten Teil-Heizschritt unterteilt ist, und dass im ersten Teil-Heizschritt das Thermoplastmaterial (3) der Thermoplastfolien (13) aufschmilzt und die Kernfaserschicht (11) unter Bildung des Organoblechteils (19) durchtränkt, und zwar ohne Expansion der Thermoplast-Hohlkugeln (7), und dass der zweite Teil-Heizschritt in Vorbereitung auf den Umformschritt so ausgelegt ist, dass zusätzlich zum Thermoplastmaterial (3) der Thermoplastfolien (13) die Thermoplast-Hohlkugeln (7) expandieren, und dass insbesondere die Temperatur im ersten Teil-Heizschritt kleiner als im zweiten Teil-Heizschritt ist und die Temperatur im ersten Teil-Heizschritt unterhalb der Expansionsstarttemperatur der Mikrosphären liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Teil-Heizschritt das Organoblechteil (19) abgekühlt und gegebenenfalls zwischengelagert wird, und/oder dass das im zweiten Teil-Heizschritt erwärmte Organoblechteil (19) prozesstechnisch unmittelbar anschließend im Umformschritt zu dem Kunststoffbauteil (1) geformt wird.
Kunststoffbauteil, das in einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellt ist.