DE102016220806A1 - Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils eines Fahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils mit einer Tragstruktur und einer Lackbeschichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Tragstruktur ein mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix infiltriertes Faserhalbzeug umfasst, und in einem Formhohlraum, der von den relativ zueinander beweglichen Werkzeugteilen eines Formwerkzeugs gebildet wird, durch Aushärten oder Erstarren der Kunststoffmatrix geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lacksystem auf eine Oberfläche des Formwerkzeugs appliziert wird, bevor das Faserhalbzeug und die Kunststoffmatrix in den Formhohlraum eingebracht werden, so dass zumindest derjenige Oberflächenabschnitt des Formwerkzeugs, welcher eine äußere Sichtseite des Außenhautbauteils abbildet, vollflächig mit dem Lacksystem bedeckt ist und das Lacksystem im Formwerkzeug zumindest teilweise aushärtet und sich mit der Kunststoffmatrix unter Ausbildung einer Lackbeschichtung verbindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugdachs.
  • Im Rahmen des Leichtbaus werden Anstrengungen unternommen, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Ein Ansatz ist hierbei die Verwendung von neuartigen Materialien, wie z.B. faserverstärkten Kunststoffen (FVK), zur Herstellung von Karosseriebauteilen, wie z.B. Strukturbauteilen oder Außenhautbauteilen, die bislang aus Metall gefertigt wurden.
  • Faserverbundkunststoffe enthalten Verstärkungsfasern, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet werden. Zur Erzielung der erforderlichen hohen Werkstofffestigkeiten werden die Fasern gerichtet in dem Bauteil angeordnet, wobei häufig mehrere Faserlagen in unterschiedlichen Richtungen verlegt werden. Hierzu werden Faserhalbzeuge verwendet, die z.B. als vorfixierte Gewebe oder Gelege vorliegen können.
  • Die Verarbeitung der Faserhalbzeuge zum FVK-Formteil erfolgt beispielsweise in einem als Resin Transfer Molding (RTM) bezeichneten Verfahren. Das Formwerkzeug weist zumindest zwei Werkzeugteile auf, die aufeinander zu bewegbar sind. Im geschlossenen Werkzeug verbleibt ein Formhohlraum zwischen den Werkzeugteilen. Das Faserhalbzeug wird in das Formwerkzeug eingelegt und der Formhohlraum wird mit einer fließfähigen Kunststoffformmasse gefüllt, welche auch das Faserhalbzeug durchsetzt. Die Kunststoffmasse verbleibt für eine vorgegebene Verweilzeit im Werkzeug, wo sie unter Druck und Wärme aushärtet. Nach der Verweilzeit kann das fertige FVK-Formbauteil entnommen werden.
  • Bauteile, die als Außenhautbauteil verwendet werden, müssen zumindest auf ihrer sichtbaren Oberfläche hohen optischen Anforderungen genügen. Insbesondere muss die sichtbare Oberfläche lackierbar sein. Im herkömmlichen RTM-Verfahren hergestellte FVK-Formbauteile weisen an ihren Oberflächen aufgrund der heterogenen Zusammensetzung aus Fasern und Matrix häufig Faserabdrücke oder Welligkeiten auf und erfüllen die hohen optischen Anforderungen nicht ohne zusätzliche Verfahrensschritte.
  • Zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit ist es aus der Druckschrift EP 1 740 379 B1 bekannt, zur Herstellung eines Fahrzeugdachs zunächst eine faserfreie Außenhaut in ein Formwerkzeug einzulegen und an der Innenseite eine faserverstärkte Trägerschicht sowie eine faserverstärkte Verstärkungsschicht in Polyurethan aufzubringen. Das Werkzeug wird dann geschlossen und das Faserverbundbauteil ausgehärtet. Die faserfreie Außenhaut kann als dünne Kunststoffschicht oder Aluminium-bzw. Stahlblech ausgeführt werden.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2012 021 869 A1 ist zudem ein Verfahren bekannt, bei dem ein FVK-Formbauteil mit lackierfähiger Oberfläche hergestellt wird, indem eine flexible Matte und ein Faserhalbzeug in ein Werkzeug eingelegt werden. Zur Erzeugung einer Faserverbundkunststoffschicht wird zunächst der Formhohlraum des Werkzeugs mit einer fließfähigen Kunststoffmatrix gefüllt. Anschließend wird eine Oberflächenbeschichtung gebildet, indem eine fließfähige Kunststoffformmasse in den Formhohlraum des Werkzeugs so eingefüllt wird, dass sich zwischen der Faserverbundkunststoffschicht und der flexiblen Matte eine die flexible Matte vollflächig bedeckende Kunststoffschicht bildet.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, womit sich ein Außenhautbauteil mit hochwertiger Oberflächenbeschaffenheit wirtschaftlich herstellen lässt und das für die Großserienproduktion geeignet ist.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils mit einer Tragstruktur und einer Lackbeschichtung vor, bei dem die Tragstruktur ein mit einer Kunststoffmatrix infiltriertes Faserhalbzeug umfasst, und in einem Formhohlraum, der von den relativ zueinander beweglichen Werkzeugteilen eines Formwerkzeugs gebildet wird, durch Aushärten oder Erstarren der Kunststoffmatrix geformt wird. Erfindungsgemäß wird, bevor das Faserhalbzeug und die Kunststoffmatrix in den Formhohlraum eingebracht werden, ein Lacksystem auf eine Oberfläche des Formwerkzeugs appliziert, so dass zumindest derjenige Oberflächenabschnitt des Formwerkzeugs, welcher eine äußere Sichtseite des Außenhautbauteils abbildet, vollflächig mit dem Lacksystem bedeckt ist. Das Lacksystem wird im Formwerkzeug zumindest teilweise ausgehärtet und verbindet sich mit der Kunststoffmatrix unter Ausbildung einer Lackbeschichtung.
  • Durch den Einsatz eines Lacksystems direkt im Formwerkzeug, das zu einer Lackbeschichtung aushärtet und sich mit der Tragschicht des Außenhautbauteils noch im Formwerkzeug verbindet, können Unregelmäßigkeiten auf derjenigen Oberfläche des Bauteils, auf der die Lackbeschichtung vorhanden ist, auf ein Mindestmaß reduziert werden. Wird das Formwerkzeug geschlossen, so liegt das aufgetragene Lackmaterial wie eine Pufferschicht oder Schutzschicht zwischen der Werkzeugwandung und dem Faserhalbzeug. Während des Formgebungsprozesses tendieren die Fasern im Faserhalbzeug dazu, sich aufzurichten. Es besteht die Gefahr, dass sie die Kunststoffmatrix durchdringen und bis an die Werkzeugwandung gelangen. Dieses Aufrichten der Fasern wird durch das Lackmaterial vermindert und es wird verhindert, dass Fasern bis an die Bauteiloberfläche gelangen können. Dadurch weist das Außenhautbauteil im Bereich der Lackbeschichtung bereits nach der Entformung aus dem Werkzeug eine außenhautfähige Oberfläche auf, die im Fahrzeugbau auch als Class-A taugliche Oberfläche bezeichnet wird. Nachfolgende Lackierprozesse können (teilweise) entfallen bzw. werden vereinfacht. Zudem ergeben sich Kosteneinsparungen durch den Wegfall von Reinigungsschritten und mechanischen Oberflächennachbearbeitungen. Gegenüber der Verwendung von Lackfolien ermöglicht der Lackauftrag direkt im Werkzeug zudem geringe Schichtdicken, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn aus optischen Gesichtspunkten ein transparenter Lack verwendet wird und die unter dem Lack befindliche Tragstruktur, insbesondere das Fasermaterial, sichtbar bleiben soll.
  • Ein vollständiger Verzicht auf den Einsatz eines Trennmittels im Formwerkzeug und eine weitere Verbesserung der Oberflächenqualität wird in einer Ausgestaltung erreicht, in der das Lacksystem auf alle Oberflächen des Formwerkzeugs aufgebracht wird, die den Formhohlraum begrenzen.
  • Eine besonders schnelle und gleichmäßige Lackapplikation ist in einer Ausgestaltung dadurch realisierbar, dass das Lacksystem auf das Formwerkzeug aufgesprüht wird.
  • Es kann ein flüssiges Lacksystem verwendet werden. Dies bietet sich insbesondere in Kombination mit einem RTM-Verfahren zur Bauteilherstellung an.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann auch ein Pulver-Lacksystem verwendet werden. Die in Pulverform vorliegenden Lacke können zur Applikation insbesondere elektrostatisch aufgeladen werden.
  • Beim Entformen des Außenhautbauteils löst sich die Lackbeschichtung vom Formwerkzeug und verbleibt als Oberflächenbeschichtung auf der Tragstruktur. Die Ablösung vom Formwerkzeug erfolgt besonders leicht und vollständig, wenn als Lacksystem ein selbsttrennendes Lacksystem verwendet wird, wozu dem Lacksystem entsprechende bekannte Hilfsstoffe zugegeben sein können. Das Lacksystem kann z.B. ein Einkomponentensystem (1K) oder ein Zweikomponentensystem (2K) sein. Aus optischen Gründen kann ein Lacksystem verwendet werden, das als hochtransparenter Lack abbindet. Zur Reduzierung von Alterungserscheinungen und Verlängerung der Lebensdauer der Tragstruktur wird in einer Ausgestaltung ein transparentes, cycloaliphatisches Lacksystem verwendet. Es können auch opake, d.h. farbige Lacksysteme verwendet werden. Das Lacksystem kann einen einzigen Lack oder mehrere Lacke beinhalten, die nacheinander appliziert werden.
  • Zur Ausbildung der Lackbeschichtung kann das Lacksystem in einer oder zwei oder mehreren Schichten auf das Formwerkzeug aufgetragen werden, wobei für jede Schicht unterschiedliche Lacke verwendet werden können. Insbesondere kann als letzte Schicht eine Primerschicht aufgetragen werden, die eine Haftung auf dem Matrixkunststoff verbessert.
  • Vorzugsweise ist das Lacksystem noch nicht vollständig, sondern lediglich teilweise ausgehärtet, wenn das Formwerkzeug geschlossen und der Kontakt zur Kunststoffmatrix hergestellt wird. Die noch vorhandenen freien Gruppen im Lackmaterial ermöglichen die Bildung zusätzlicher Verbindungen zwischen dem Matrix- und dem Lackmaterial und verbessern die Haftungseigenschaften der Lackbeschichtung.
  • Das Lacksystem wird zumindest in den Oberflächenabschnitten des Formwerkzeugs aufgetragen, welche die äußere Sichtseite des Außenhautbauteils abbilden. In einer Ausgestaltung ist es vorteilhaft, das Lacksystem auf der gesamten Oberfläche des Formwerkzeugs, welche den Formhohlraum begrenzt, aufzubringen, wodurch das Außenhautbauteil im Wesentlichen von allen Seiten mit der Lackbeschichtung versehen wird. Ausgenommen sind hiervon die Randbereiche, an denen ein Bauteilzuschnitt nach der Entformung erfolgt. Ferner ist es zur Reduzierung der Zykluszeit und zur Erzielung einer hohen Reproduzierbarkeit vorteilhaft, wenn der Lackauftrag automatisiert erfolgt.
  • Das Faserhalbzeug umfasst mindestens eine Faserschicht, vorzugsweise zwei oder mehr Faserschichten. Jede Faserschicht kann als unidirektionale Schicht, als Gewebe oder monoaxiales, biaxiales oder multiaxiales Gelege ausgestaltet sein. Ebenso ist es denkbar, dass eine oder mehrere der Faserschichten aus einem Faservlies ausgebildet sind. Als Fasern werden vorzugsweise Kohlenstoff-, oder Glasfasern oder Kombinationen aus Kohlenstoff- und Glasfasern verwendet. Im Faserhalbzeug kann darüber hinaus eine Abstandshalterlage, z.B. als Abstandsgewebe, vorgesehen sein um einzelne Faserschichten voneinander zu beabstanden und so höhere Torsions- oder Biegesteifigkeiten der Tragstruktur zu erzielen.
  • Für die Großserienfertigung kann es von Vorteil sein, wenn das Ausbilden der Tragstruktur im RTM (resin transfer molding) -Verfahren erfolgt. Hierbei wird das trockene Faserhalbzeug in das offene Formwerkzeug eingelegt, das Werkzeug wird geschlossen und über entsprechende Verteilerkanäle wird die Kunststoffmatrix in den Formhohlraum eingepresst und erstarrt bzw. härtet dort unter Druck und vorgegebener Temperatur aus.
  • Für mittlere Serien können ebenso vorimprägnierte Faserhalbzeuge, sogenannte Prepregs, zur Herstellung der Tragstruktur verwendet werden. Bei den Prepregs handelt es sich um Faserhalbzeuge, die bereits im Vorfeld mit Reaktionsharzen vorimprägniert sind. Die Reaktionsharze bestehen aus einer noch nicht polymerisierten, duroplastischen Kunststoffmatrix. Die Matrix in Prepregs befindet sich im teilvernetzten Zustand und ist meist pastös bis fest und kann unter Wärme verflüssigt werden. Die Prepregs werden in das Formwerkzeug eingelegt, das Werkzeug wird geschlossen und die Kunststoffmatrix wird bei erhöhter Temperatur ausgehärtet.
  • Weiterhin kann ebenso ein Verfahren verwendet werden, bei dem die Kunststoffmatrix flächig oder punktuell auf das Faserhalbzeug aufgetragen wird. Durch Schließen des Formwerkzeugs verteilt sich die Kunststoffmatrix im Formhohlraum. Wie in den anderen Verfahren erstarrt die Matrix bzw. wird die Matrix unter Druck und erhöhter Temperatur ausgehärtet. Dieses Verfahren wird auch als „Nasspressen“ bezeichnet.
  • Als Kunststoffmatrix kann z.B. ein thermoplastischer Kunststoff oder ein duroplastischen Harzsystems verwendet werden, wobei thermoplastische Kunststoffe erstarren und duroplastische Systeme aushärten. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit ist die Kunststoffmatrix ausgehärtet bzw. erstarrt und das Formwerkzeug wird zum Entnehmen des Außenhautbauteils geöffnet. Nach dem Entformen können sich noch weitere Verfahrensschritte anschließen. Insbesondere kann eine Beranden der Bauteilkontur erfolgen. Ebenso kann sich ein nachgeschalteter Lackauftrag anschließen, der jedoch aufgrund der bereits auf dem Bauteil ausgebildeten Lackbeschichtung gegenüber der herkömmlichen Bauteillackierung signifikant vereinfacht und kostenreduziert werden kann.
  • Außenhautbauteile im Sinne dieser Erfindung sind vor allem Fahrzeugdächer, Motorhauben, Kofferraumklappen, Türen, Stoßfängerverkleidungen, Abdeckungen für Spiegel, Schweller oder Dachseitenrahmen.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
  • Im Folgenden wird der Verfahrensablauf beispielhaft an Hand der einzigen 1 erläutert.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrensablaufs 1 zur Herstellung eines Fahrzeugdachs.
  • In einem ersten Schritt 10 wird ein Faserhalbzeug durch Aufeinanderschichten mehrerer Faserlagen, Verbinden der Lagen und Vorformen ausgebildet. In Schritt 12 erfolgt ein Lackauftrag durch Aufsprühen auf das offene Formwerkzeug, wobei der Lack auf der Innenseite derjenigen Werkzeughälfte appliziert wird, welche die äußere Sichtseite des Fahrzeugdachs abbildet. Der Lackauftrag kann in einer oder mehreren Schichten erfolgen.
  • Nachfolgend wird in Schritt 14 die Tragschicht des Fahrzeugdachs im RTM-Verfahren ausgebildet. Hierzu wird das Faserhalbzeug in das Formwerkzeug eingelegt. Beim Schließen des Formwerkzeugs ist das applizierte Lacksystem zumindest angeliert bzw. teilweise ausgehärtet. Anschließend wird eine fließfähige duroplastische Kunststoffmatrix in den Formhohlraum des geschlossenen Formwerkzeugs gedrückt, wo sie das Faserhalbzeug infiltriert und den Formhohlraum ausfüllt. Hierbei gelangt die Kunststoffmatrix in Anlage mit dem applizierten Lacksystem. Während der anschließenden Temperung härtet die Kunststoffmatrix aus und verbindet sich stoffschlüssig mit dem ebenfalls aushärtenden Lacksystem zu einer Tragstruktur mit lokaler Oberflächenbeschichtung. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer wird das ausgehärtete Faserverbund-Bauteil aus dem Werkzeug entnommen.
  • Es können sich weitere Verfahrensschritte anschließen, wie z.B. eine Berandung des Fahrzeugdachs in Schritt 16, sowie ein weiterer Lackauftrag in Schritt 18.
  • Mit dem Verfahren sind FVK- Außenhautbauteile mit hoher Oberflächengüte herstellbar. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine ausreichende Oberflächengüte des FVK-Formbauteils erzielt, so dass nachfolgende Reinigungs- und mechanische Bearbeitungsschritte zur Verbesserung der Oberflächenqualität reduziert werden können bzw. vollständig entfallen können. Ein intervallweises Eintrennen des Formwerkzeugs kann entfallen, wodurch die Anlagenverfügbarkeit steigt. Der Lackauftrag auf das Werkzeug lässt sich problemlos und mit geringem Invest in bestehende Anlagenkonzepte und Verfahrensabläufe integrieren.
  • Vorteilhafter Weise kann bei der Bauteilherstellung auf den Einsatz eines Oberflächenvlieseszur Verbesserung der Bauteiloberflächenbeschaffenheit verzichtet werden, wodurch Materialkosten und Fertigungskosten für das Auflegen und Positionieren des Vlies entfallen. Zudem ergibt sich durch den Lackauftrag eine erhöhte Prozessstabilität.
  • Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verfahrensschema
    10 bis 18
    Verfahrensschritte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1740379 B1 [0006]
    • DE 102012021869 A1 [0007]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Außenhautbauteils mit einer Tragstruktur und einer Lackbeschichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei die Tragstruktur ein mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix infiltriertes Faserhalbzeug umfasst, und in einem Formhohlraum, der von den relativ zueinander beweglichen Werkzeugteilen eines Formwerkzeugs gebildet wird, durch Aushärten oder Erstarren der Kunststoffmatrix geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lacksystem auf eine Oberfläche des Formwerkzeugs appliziert wird, bevor das Faserhalbzeug und die Kunststoffmatrix in den Formhohlraum eingebracht werden, so dass zumindest derjenige Oberflächenabschnitt des Formwerkzeugs, welcher eine äußere Sichtseite des Außenhautbauteils abbildet, vollflächig mit dem Lacksystem bedeckt ist und das Lacksystem im Formwerkzeug zumindest teilweise aushärtet und sich mit der Kunststoffmatrix unter Ausbildung einer Lackbeschichtung verbindet.
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem das Lacksystem auf allen Oberflächen des Formwerkzeugs aufgebracht wird, die den Formhohlraum begrenzen.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Lacksystem aufgesprüht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Lacksystem ein selbsttrennendes Lacksystem ist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Lacksystem ein flüssiges Lacksystem ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Lacksystem ein Pulver-Lacksystem ist.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Lacksystem in zwei oder mehr Schichten aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Lacksystem erst teilweise ausgehärtet ist, wenn das Formwerkzeug geschlossen und der Kontakt zur Kunststoffmatrix hergestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Lacksystem auf der gesamten Oberfläche des Formwerkzeugs aufgebracht wird, welche den Formhohlraum begrenzt.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Ausbilden der Tragstruktur im RTM-Verfahren erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, bei dem zum Ausbilden der Tragstruktur ein vorimprägniertes Faserhalbzeug verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, bei dem das Ausbilden der Tragstruktur im Nasspressverfahren erfolgt.
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