DE102017001912A1

DE102017001912A1 - Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils aus Prepreg- und SMC-Material

Info

Publication number: DE102017001912A1
Application number: DE102017001912.6A
Authority: DE
Inventors: Angela Scherer; David Roquette; Felix Diebold; Oliver Stoll
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2018-08-30

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils aus Prepreg-Material (210) und SMC-Pressmasse (220), mit den Schritten:
- Einlegen des Prepreg-Materials (210) in die Kavität (130) eines geöffneten Presswerkzeugs (100);
- Abdecken des Prepreg-Materials (210) mit einer Schutzschicht (230);
- Einbringen der SMC-Pressmasse (220) in die Kavität (130) des Presswerkzeugs (100) ;
- Schließen des Presswerkzeugs (100) und Heißpressen der SMC-Pressmasse (220), die sich hierbei durch die Schutzschicht (230) hindurch stoffschlüssig mit dem Prepreg-Material (210) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils aus Prepreg- und SMC-Material.
Faserkunststoffverbundbauteile können aus Prepreg-Materialien (Prepregs) und SMC-Materialien hergestellt werden. Prepreg-Materialien (Prepreg = Preimpregnated Fibers) sind flächige, formbare Halbzeuge aus Endlosfasern und einem duroplastischen Matrixmaterial, welches durch Wärmezufuhr aufschmilzt und aushärtet. SMC-Materialien (SMC = Sheet Molding Compound) sind teigartige Halbzeuge aus Kurz- oder Langfasern und einem duroplastischen Matrixmaterial, die formgebend verpresst werden können und durch Wärmezufuhr aushärten. Ein SMC-Material wird im folgenden als SMC-Pressmasse bezeichnet.
Die DE 10 2013 223 519 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Faserkunststoffverbundbauteils, das folgende Schritte aufweist:

- Herstellen eines mit einem Kunststoffmatrixmaterial imprägnierten Vorformlings aus einer Endlosfaser;
- Auftragen einer Pressmasse aus dem Kunststoffmatrixmaterial oder einem anderen Kunststoffmatrixmaterial und ungerichteten Fasern auf den Vorformling; und
- Verpressen des Vorformlings und der Pressmasse in einem Presswerkzeug.

Hierbei kann es im ungünstigen Fall dazu kommen, dass die Endlosfasern des Vorformlings von der Pressmasse weggedrückt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 wird dies durch eine Schutzschicht verhindert. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung sowie auch aus der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

- Einlegen des Prepreg-Materials in die Werkzeugkavität eines geöffneten Presswerkzeugs;
- zumindest teilweises Abdecken des Prepreg-Materials mit (wenigstens) einer Schutzschicht (so dass sich die Schutzschicht beim späteren Verpressen bzw. Pressvorgang zwischen dem Prepreg-Material und der SMC-Pressmasse befindet);
- Einbringen der SMC-Pressmasse in die Kavität des Presswerkzeugs, wobei die SMC-Pressmasse auch direkt auf die Schutzschicht aufgebracht werden kann;
- Schließen des Presswerkzeugs und Verpressen, insbesondere Heißverpressen, der SMC-Pressmasse, welche sich dabei durch die Schutzschicht hindurch stoffschlüssig mit dem Prepreg-Material verbindet.

Beim Verpressen befindet sich die Schutzschicht zwischen dem Prepreg-Material und der SMC-Pressmasse. Gleichwirkend kann daher auch zunächst die SMC-Pressmasse in die Kavität eingebracht und diese mit der Schutzschicht abgedeckt werden. Anstatt einer SMC-Pressmasse kann gleichwirkend auch eine BMC-Pressmasse (BMC = Bulk Molding Compound) verwendet werden.
Beim Verpressen wird die SMC-Pressmasse in an und für sich bekannter Weise innerhalb der Kavität verdrückt und entsprechend der Kavitätskontur ausgeformt. Dabei kann die SMC-Pressmasse auf der Schutzschicht abgleiten. Die wenigstens eine Schutzschicht verhindert dadurch eine zu starke Krafteinwirkung, insbesondere Scherbeanspruchung, des Prepreg-Materials, so dass dieses nicht weggedrückt wird bzw. wegschwimmt. Gleichwohl ist Schutzschicht so beschaffen, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der SMC-Pressmasse und dem Prepreg-Material ermöglicht wird. Die Schutzschicht verbleibt also im hergestellten Faserkunststoffverbundbauteil und kann auch einen Verstärkungseffekt haben.
Das Prepreg-Material und die SMC-Pressmasse weisen bevorzugt die selbe oder zumindest eine ähnliche Kunststoffmatrix (Kunststoffmatrixmaterial) auf. Insbesondere ist dies eine duroplastische Matrix (Harz).
Um die stoffschlüssige Verbindung durch die Schutzschicht hindurch zu ermöglichen, muss diese für die flüssige Kunststoffmatrix durchlässig sein. Bevorzugt ist die Schutzschicht aus einem Faservlies oder Fasergeflecht (dies kann auch ein Netz oder dergleichen sein) gebildet. Bevorzugt kommen hierfür die gleichen Fasermaterialien zum Einsatz wie im Prepreg-Material und in der SMC-Pressmasse. Insbesondere sind dies Kohlenstoff- oder Glasfasern. Die Schutzschicht kann auch eine gelochte oder in sonstiger Weise durchlässige Kunststofffolie sein.
Das Prepreg-Material kann einlagig oder mehrlagig angeordnet werden. Als Prepreg-Material können bspw. Zuschnitte eines UD-Geleges verwendet werden, aus denen ein Lagenaufbau gebildet wird, dessen Lagen bzw. Schichten unterschiedliche Faserorientierungen aufweisen. Ferner könne die Zuschnitte nicht nur übereinander gestapelt, sondern auch nebeneinander angeordnet werden.
In einem vorausgehenden Schritt kann aus dem Prepreg-Material ein Vorformling erzeugt werden, der dann in das Presswerkzeug eingelegt wird. In einem vorausgehenden Schritt kann auch die SMC-Pressmasse vorgeformt werden, d. h. aus der SMC-Pressmasse wird ein Vorformling erzeugt, der dann in das Presswerkzeug eingelegt werden kann. Bei diesem Vorformen wird die Kunststoffmatrix nicht ausgehärtet.
Ebenfalls in einem vorausgehenden Schritt kann das Prepreg-Material auf einem Trägermaterial, bspw. einem Faservlies oder Fasergeflecht, drapiert bzw. abgelegt werden, insbesondere lastgerecht im Hinblick auf die spätere Bauteilverwendung. Typischerweise werden hierzu mehrere Zuschnitte verwendet, die nebeneinander und/oder übereinander angeordnet und in geeigneter Weise am Trägermaterial fixiert werden können. Anstelle von flächigen Zuschnitten kann auch ein Towpreg-Material (dies ist ein mit Kunststoffmatrix vorimprägnierter Roving) verwendet werden, welcher auf das Trägermaterial aufgebracht und in geeigneter Weise, bspw. durch Sticken, befestigt wird (das flächige Prepreg-Material wird dabei quasi aus einem Towpreg erzeugt). Optional kann der Aufbau aus dem Prepreg- bzw. Towpreg-Material und dem Trägermaterial noch vorgeformt werden, d. h. ein Vorformling kann erzeugt werden (s. o.). Der unverformte oder vorgeformte Aufbau wird dann in die Kavität des Presswerkzeugs eingelegt. Beim Verpressen bildet das Trägermaterial die Schutzschicht zwischen dem Prepreg- bzw. Towpreg-Material und der SMC-Pressmasse, d. h., ein gesondertes Abdecken ist nicht mehr erforderlich.
Beim Vorformen eines gemäß vorausgehender Beschreibung mit einem Trägermaterial erzeugten Aufbaus kann auch gleich schon die SMC-Pressmasse eingebracht und ohne Aushärtung mit vorgeformt werden (das Trägermaterial dient hierbei ebenfalls als Schutzschicht). Die Herstellung des Faserkunststoffverbundbauteils erfolgt dann mit zwei Presswerkzeugen, wobei im ersten Presswerkzeug vorgeformt und im zweiten Presswerkzeug nachgeformt und ausgehärtet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann also auch die folgenden Schritte aufweisen:

- Drapieren bzw. Ablegen des Prepreg-Materials (oder gegebenenfalls des Towpreg-Materials) auf einem Trägermaterial;
- Einlegen des (durch Drapieren erzeugten) Aufbaus in die Werkzeugkavität eines geöffneten ersten Presswerkzeugs und Einbringen der SMC-Pressmasse in die Kavität des ersten Presswerkzeugs;
- Schließen des ersten Presswerkzeugs und Vorformen des Prepreg-Materials und der SMC-Pressmasse durch Verpressen (ohne Aushärtung der Kunststoffmatrix), wobei ein Vorformling erzeugt wird und hierbei die Trägerschicht als Schutzschicht fungiert, wie oben beschrieben;
- Öffnen des ersten Presswerkzeugs, Entnahme des Vorformlings und Einlegen des Vorformlings in die Kavität eines geöffneten zweiten Presswerkzeugs;
- Schließen des zweiten Presswerkzeugs und Heiß(ver)pressen des Vorformlings, wodurch dieser nachgeformt und ausgehärtet wird, wobei sich die SMC-Pressmasse durch die als Schutzschicht fungierende Trägerschicht hindurch stoffschlüssig mit dem Prepreg-Material verbindet.

Das herzustellende Faserkunststoffverbundbauteil ist insbesondere ein Karosseriebauteil für eine Kraftfahrzeugkarosserie.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen können die in der einzigen Figur der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

1 veranschaulicht in einer schematischen Schnittansicht das erfindungsgemäße Verfahren.

Anhand der 1 wird die besonders wirtschaftliche One-Shot-Technologie erläutert, bei der aus den Halbzeugen in einem Arbeitsgang direkt ein Faserkunststoffverbundbauteil erzeugt wird. Andere Verfahrensmöglichkeiten bei denen aus dem Prepreg-Material und/oder aus der SMC-Pressmasse zunächst ein Vorformling erzeugt oder aus beiden Materialien zusammen ein Vorformling erzeugt werden, sind oben beschrieben.
Das in 1 gezeigte Presswerkzeug 100 weist zwei Werkzeugteile 110 und 120 auf, die mit einer Kavität 130 ausgebildet und zueinander relativbeweglich sind. Das Presswerkzeug 100 ist in einer nicht gezeigten Presse oder Schließvorrichtung eingebaut. Mit dem Presswerkzeug 100 kann aus einem mehrlagigen Prepreg-Material 210 mit gerichteten Endlosfasern und einer SMC-Pressmasse 220 mit ungerichteten Kurz- oder Langfasern ein Faserkunststoffverbundbauteil hergestellt werden. Hierzu wird zum einen das Prepreg-Material 210 in der Kavität 130 des geöffneten Presswerkzeugs 100 angeordnet, wie gezeigt, und in geeigneter Weise festgehalten. Zum anderen wird auch eine definierte Menge der SMC-Pressmasse 220 in der Kavität 130 angeordnet.
Beim Schließen des Presswerkzeugs 100 durch Zusammenfahren der Werkzeugteile 110 und 120 wird das Prepreg-Material 210 bzw. der daraus gebildete Einleger mit der SMC-Pressmasse 220 überpresst, wobei z. B. Bauteilrippen oder dergleichen an das flächige Prepreg-Material 210 angeformt werden können. (Beim Schließen des Presswerkzeugs 100 kann optional auch das Prepreg-Material 210 umgeformt werden.) Um zu verhindern, dass die SMC-Pressmasse 220 die Endlosfasern des Prepreg-Materials 210 verschiebt ist eine zwischen dem Prepreg-Material 210 und der SMC-Pressmasse 220 anzuordnende Schutzschicht 230 vorgesehen, die während des Pressvorgangs das Prepreg-Material 210 zumindest in kritischen Bereichen abdeckt und so vor der direkten Beaufschlagung mit der SMC-Pressmasse 220 schützt. Wie oben beschrieben, kann das Prepreg-Material 210 zuvor auf einem Trägermaterial drapiert bzw. angeordnet und zusammen mit dem Trägermaterial in die Kavität 130 eingelegt werden, wobei das Trägermaterial dann die Schutzschicht 230 bildet. Beim Schließen des Presswerkzeugs 100 kann die Schutzschicht 230 an ihrem Rand teilweise oder vollumfänglich zwischen den Werkzeugteilen 110 und 120 eingeklemmt und dadurch festgehalten werden. Der Rand kann später abgetrennt werden.
Während des Heißpressvorgangs verteilt sich die SMC-Pressmasse 220 in der Kavität 130, überformt dabei in den vorgegebenen Bereichen bzw. Abschnitten das Prepreg-Material 210 und kann sich durch die Schutzschicht 230 hindurch mit dem Prepreg-Material 210 stoffschlüssig verbinden, so dass ein einteiliges Faserkunststoffverbundbauteil entsteht. Nachdem die im Prepreg-Material 210 und in der SMC-Pressmasse 220 enthaltene Kunststoffmatrix ausgehärtet ist kann das Presswerkzeug 100 geöffnet und das Faserkunststoffverbundbauteil entformt werden.
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

DE 102013223519 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserkunststoffverbundbauteils aus Prepreg-Material (210) und SMC-Pressmasse (220), mit den Schritten: - Einlegen des Prepreg-Materials (210) in die Kavität (130) eines geöffneten Presswerkzeugs (100); - Abdecken des Prepreg-Materials (210) mit einer Schutzschicht (230); - Einbringen der SMC-Pressmasse (220) in die Kavität (130) des Presswerkzeugs (100) ; - Schließen des Presswerkzeugs (100) und Heißpressen der SMC-Pressmasse (220), die sich hierbei durch die Schutzschicht (230) hindurch stoffschlüssig mit dem Prepreg-Material (210) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepreg-Material (210) und die SMC-Pressmasse (220) die selbe Kunststoffmatrix aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (230) aus einem Faservlies oder Fasergeflecht gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prepreg-Material (210) mehrlagig angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorausgehenden Schritt aus dem Prepreg-Material (210) ein Vorformling erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorausgehenden Schritt das Prepreg-Material (210) auf einem Trägermaterial drapiert wird und zusammen mit dem Trägermaterial in die Kavität (130) des Presswerkzeugs (100) eingelegt wird, wobei das Trägermaterial dann die Schutzschicht (230) bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau aus dem Prepreg-Material (210) und dem Trägermaterial vor dem Einlegen in das Presswerkzeug (100) vorgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorausgehenden Schritt die SMC-Pressmasse (220) vorgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Faserkunststoffverbundbauteil ein Karosseriebauteil ist.